電推進羽流診斷系統探針組件研制及應用驗證

田 愷，陳 燾，陳新偉，趙 勇

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

隨著我國電推進產品技術成熟度的提高，越來越多的電推進產品應用于衛星姿態與軌道控制、軌道轉移和深空探測。同時，電推進的快速綜合診斷也成為我國電推進技術發展必須解決的技術難題。電推進羽流診斷是利用朗繆爾探針（Langmuir Probe，LP）、法拉第探針（Faraday Probe，FP）和阻滯勢分析儀（Retarding Potential Analyzer，RPA）分別對羽流等離子體參數（電子溫度kTe、電子密度ne和等離子體電位Vs）、離子電流密度Ji和單位電荷離子能量（Ion Energy-per-charge，Ei/q）進行診斷，診斷結果用于電推進對航天器帶電影響評估、束流發散角推力修正和柵極壽命預測。

國外對電推進羽流診斷研究非常重視，診斷試驗幾乎與電推進研制同步開展。自1960年世界第一臺離子電推進工程樣機由路易斯研究中心研制成功以來，FP、LP就被用于診斷電推進羽流[1]。1980-2000年，隨著電推進技術研究的深入，美國空軍火箭推進實驗室（AFRPL）[2]、密歇根大學[3]等還研制了E×B探針、石英晶體微量天平（QCM）等測試裝置，對羽流雙荷離子比例和沉積污染效應進行診斷，這些研究不僅獲得了大量的電推進羽流特性數據，而且為分析羽流與航天器相互作用提供了技術支撐。2000年后，美國電推進羽流診斷主要關注羽流返流區等離子體對電推進壽命及航天器的影響評估，采用的探針仍然是經典的FP、LP、RPA組合[4]。2010年后，電推進診斷技術采用探針陣列與光學探針相結合的方法，對羽流離子電流密度分布、能量分布、質量分布、速度分布以及成分進行精細化診斷[5-6]，診斷結果直接成像。國外從事電推進羽流診斷技術研究的知名機構有德國萊布尼茨研究所[6]和意大利Laben/Proel公司[7]等。總體而言，國外電推進羽流診斷系統朝多功能、智能化和精細化方向發展。

國內電推進診斷技術研究起步較晚。蘭州空間技術物理研究所作為我國最早開展電推進研究的專業研究所，自1991年始，先后研制了耙形FP、FP陣列、LP、RPA等探針，開展了離子電推進和霍爾電推進羽流地面和在軌診斷研究[8-10]，為電推進的空間應用和羽流防護提供了試驗數據。國內從事電推進羽流診斷技術研究的主要單位還有北京航空航天大學[11]，上海航天801所[12]等。總體而言，國內自研的探針診斷設備功能單一、數據采集繁瑣，沒有形成智能系統。國外雖有商用電推進診斷探針，但產品功能單一，存在進口風險。本文針對國內主流離子電推進和霍爾電推進羽流的診斷需求，研制電推進羽流診斷探針組件并開展初步性能驗證。

1 探針組件

電推進羽流診斷系統（Electric Propulsion Plume Diagnostic System，EPPDS）探針組件由FP、LP、RPA、電源處理單元（Power Processing Unit，PPU）和測控軟件組成。其中，FP用于電推進羽流徑向離子電流密度分布（Ji-r曲線，r為羽流半徑）測量，通過Ji-r曲線診斷羽流平直度。LP用于羽流區和返流區kTe、ne、Vs診斷；包括柱形、平面和球形三種LP，柱形LP和平面LP用于羽流區等離子體診斷，球形LP用于返流區等離子體診斷，平面LP的優勢在于對Vs診斷比柱形LP準確。RPA用于羽流區和返流區離子能量分布診斷。PPU為探針提供偏置電壓和掃描電壓，同時對探針電流（I）、電壓（V）進行采集并將采集數據傳輸給上位機。測控軟件用于控制探針移動定位，處理來自PPU的采樣數據，繪制Ji-r或I-V曲線，輸出診斷結果。

探針技術指標應滿足電推進羽流診斷需求。離子電推進羽流具有離子能量高、等離子體密度低的特點，如LIPS200離子電推進羽流的離子加速能量在1 185 eV左右，離子電流密度0.5～2 mA/cm2[13]，等離子體密度1×1015～5×1015m-3，電子溫度2～4 eV[14]。霍爾電推進羽流具有離子能量低、等離子體密度高的特點，如LHT40霍爾電推進羽流的離子加速能量為300 V左右，離子電流密度為12.5 mA/cm2，等離子體密度為2×1016m-3，電子溫度2～4 eV，等離子體電位4～18 V[15]。表1是在調研國內外電推進羽流參數基礎上確定的電推進羽流診斷系統探針組件的關鍵技術指標[11-16]。

表1 電推進羽流診斷系統探針組件關鍵技術指標Tab.1 Key technical indexes of probe assembly for EPPDS

2 產品研制

2.1 探針研制

（1）法拉第探針（FP）

FP用于獲取Ji-r分布曲線，由收集極和屏蔽筒組成，如圖1所示，收集極與屏蔽筒偏置電位為-30～-20 V，主要目的是濾除羽流中的電子，同時減小探針邊緣效應。羽流等離子體到達FP收集極后，電子被排斥，離子被收集，通過采樣電阻計算離子電流密度Ji：

圖1 FP工作原理Fig.1 Schematic of FP

式中：V為采樣電壓；R為采樣電阻；A為收集極有效收集面積。

FP設計主要參數為收集極尺寸、收集極與屏蔽筒之間的間距和屏蔽筒尺寸。收集極尺寸由羽流等離子體密度、加工工藝及電流采樣的分辨率決定。FP收集極設計為直徑12 mm，厚0.5 mm的鉬片；收集極與屏蔽筒的間距通常為5～10λD，λD為電子的德拜長度（單位為cm）：

式中：kTe為電子溫度，eV；ne為電子密度，cm-3。按照表1參數優化計算結果，間距設計值為1 mm。屏蔽筒設計為內徑14 mm，厚0.5 mm的不銹鋼套筒；收集極與屏蔽筒之間用Al2O3陶瓷絕緣。圖2為研制的FP。

圖2 FP產品照片Fig.2 Picture of FP product

（2）朗繆爾探針（LP）

LP用于羽流等離子體電子溫度kTe，等離子體電子密度ne和等離子體電位Vs等參數的診斷，采用單朗繆爾探針，結構通常為金屬電極。當探針插入等離子體時，對探針施加從負到正的掃描電壓V，同時采集探針收集的等離子體電流I，分析I-V曲線就可以確定等離子體參數。圖3為單LP工作原理和I-V特征曲線。

圖3 單LP工作原理及I-V曲線Fig.3 Schematic of single LP and I-V curve

圖3中，Ie0、Ii0分別為電子飽和電流和離子飽和電流（單位為A）。Vf為探針電流為0時的掃描電壓，稱為懸浮電位。根據LangmiurI-V曲線分析理論[17]，Vs、kTe和ne計算公式為：

式中：（dI/dV）max表示I-V曲線的斜率最大值點。

式中：k為玻爾茲曼常數；1 eV=kTe（Te=1.160×104K）。

式（4）表明，kTe是lnI-V電子阻滯區曲線斜率的倒數。

式中：e=1.6×10-19C為基本電荷電量；me=0.91×10-30kg為電子質量。

LP設計要綜合考慮被測等離子體的德拜長度、探針材料和機械加工、電流采樣分辨率等因素。在滿足這些條件的前提下，探針尺寸應盡可能小，否則會對待測等離子體產生很大擾動。通常要求探針半徑rp必須滿足[18]：

羽流區柱形LP的探針典型尺寸設計直徑0.3 mm，長10 mm，平面探針的直徑為6 mm，厚為0.5 mm；返流區球形探針的直徑為30 mm。探針材料為鎢，探針絕緣護套為Al2O3陶瓷，圖4為研制的柱形、平面形和球形LP。

圖4 LP產品照片Fig.4 Picture of LP product

（3）阻滯勢分析儀（RPA）

RPA用于測量單位電荷離子能量分布，羽流離子中除了Xe+外，還有Xe2+和Xe3+，在相同的推力器加速電壓Va下，Xe2+和 Xe3+攜帶的Ei分別是 Xe+的 2倍和3倍，由于RPA無法區分離子攜帶的電荷態q，所測量的離子能量為平均到每個電荷的離子能量（Ei/q）。

RPA主體結構由柵網和收集極組成。柵網包括G1、G2、G3和G4。G1接地，電位0 V，作用是對進入分析儀的離子通量進行衰減，并對其他柵網電位進行屏蔽，保護G1前面的被測等離子體不受其他柵網電場的影響；G2為電子排斥柵，懸浮（柵網與殼體絕緣，懸浮在等離子體中），偏置電位-20 V，作用是濾除電子，確保只有離子進入；G3為離子阻滯柵，懸浮，施加0～2 000 V掃描電壓，作用是濾除低能離子，讓Ei/q大于柵電壓的離子通過G3；G4為二次電子排斥柵，懸浮，偏置電位為-20 V，作用是抑制收集極發射的二次電子；C為離子收集極，通過采樣電阻R收集離子電流。RPA附屬結構包括陶瓷墊圈、陶瓷內襯、不銹鋼殼體、不銹鋼蓋板。圖5為RPA工作原理圖。

圖5 RPA原理圖Fig.5 Schematic of RPA

對RPA測量的I-V曲線一階微分，得到-dI/dV-V曲線，再對該曲線做Gauss函數擬合，得到離子電壓分布函數（Ion Voltage Distribution Function，IVDF）曲線，如圖6所示，Ei/q可以通過IVDF峰值電流對應的電壓Vi計算：

圖6 RPA I-V曲線和離子電壓分布函數Fig.6 I-V curve and IVDF of RPA

由于多荷離子的存在，Ei/q＜eVa，Ei/q值越小說明多荷離子比例越高。

RPA設計包括網孔直徑、柵間距和衰減系數，這些參數均由德拜長度決定。網孔直徑d0≤2λD才能使網孔對等離子體的屏蔽效應最小；柵網間距離x可以通過Hutchinson推導的Bohm通量與Child Langmuir通量之間的關系公式估算[19]：

式中：V為柵網間電壓。

柵網對等離子體的衰減系數主要取決于G1柵，通過控制G1網孔數量將待測等離子體進行衰減，以保證進入到G2柵的等離子體具有較低的通量。G2柵處最大可允許的等離子體密度n由Green關系確定[20]：

式中：ε0=8.85×10-12F/m為真空電容率；x為柵網間距離；Ei為離子在G2柵處的最小動能，由推力器的加速電壓Va確定：

式中：q為離子電荷態。

近場RPA收集極的有效直徑設計為10 mm，遠場RPA收集極設計為18 mm，為了減小空間電荷效應，進入G1柵的最大等離子體密度控制在5×1013m-3，Va取典型值1 kV，按式（8）～（10）計算結果，考慮加工工藝，G1柵網網孔直徑設計為0.3 mm，衰減系數0.2；G2～G4柵網網孔直徑設計為0.4 mm，衰減系數0.4；柵距2 mm；柵網和收集極材料為鉬，柵間絕緣材料為Al2O3陶瓷。圖7為研制的近場和遠場RPA。

圖7 近場和遠場RPA產品照片Fig.7 Photos of near-field and far-field RPA products

2.2 電源研制

電推進羽流診斷探針組件電源處理單元PPU由6個線性程控電源模塊和3個電流采集模塊組成，如圖8所示。電源模塊包括：FP的-60 V屏蔽筒程控電源、-60 V收集極程控電源；LP的±200 V程控電源塊；RPA的G2 0～30 V程控電源、G4的0～30 V程控電源和G3的0～2 000 V程控電源；電流模塊包括：FP電流采集模塊、LP電流采集模塊和RPA電流采集模塊。每個探針電源的開關機、輸出電壓、內部各路電壓、電流采集均由單片機控制板完成，單片機控制板將采集數據傳送至上位機測控軟件，由測控軟件進行分析數據、曲線生成和結果輸出。計算機和單片機之間通過以太網實現指令控制和數據通信，探針與PPU信號傳輸電纜接插件采用J599。圖9為研制的電源模塊和電流采集模塊。

圖8 電源處理單元設計Fig.8 Design of PPU

圖9 程控電源和電流采集模塊Fig.9 Programmable power supply and current acquisition module

PPU為所有探針預留了信號檢測接口，如圖10所示，FP1和FP2分別為法拉第探針屏蔽筒和收集極偏置電壓輸出檢測接口；LP為朗繆爾探針掃描電壓輸出檢測接口；RPA-G2、RPA-G4為阻滯勢分析儀G2柵網和G4柵網的偏置電壓輸出檢測接口，RPA-G3為阻滯勢分析儀G3柵網掃描電壓輸出檢測接口。實際檢測結果為：FP偏置電壓-62～0 V；電流輸出范圍為0.8 μA～22 mA。LP掃描電壓-210～210 V，電壓步階0.1～5 V；電流輸出范圍為0.8 μA～22 mA。RPA偏置電壓-62～0 V，掃描電壓1～2 100 V，電壓步階1～10 V；電流輸出范圍為6 nA～110 μA。檢測結果滿足表1 PPU指標要求。

圖10 電推進羽流診斷系統探針組件電源處理單元產品Fig.10 PPU product of probe assembly for EPPDS

2.3 軟件研制

電推進羽流診斷軟件包括數據采集軟件和測控軟件，由C#語言編寫。數據采集軟件設計主要實現探針在規定空間位置或規定偏置/掃描電壓下的等離子體收集電流采集。測控軟件設計包括移動定位控制設計、通信控制設計、數據處理設計和控制界面設計等。移動定位控制主要實現探針在XOZ平面內沿羽流徑向和軸向的移動定位。通信控制設計主要實現上位機與探針間的指令發送，數據傳輸。數據處理設計主要對FP、LP和RPA的采樣數據進行異常數據剔除、數據平滑、Ji-r或I-V曲線生成，再根據理論公式計算出參數結果。控制界面設計包括探針位置信息顯示，以及探針偏置電壓、掃描電壓、步階電壓賦值，圖像曲線顯示，診斷結果顯示，探針界面切換和數據記錄查詢。圖11為軟件設計結果。

圖11 電推進羽流診斷系統探針組件測試軟件界面Fig.11 Test software interface of probe assembly for EPPDS

3 性能驗證試驗

3.1 試驗系統

性能驗證試驗主要目的是驗證各探針在電推進羽流環境下能否正確傳感電流，軟件能否正確采集電流，通過特征曲線計算出等離子體參數。試驗在蘭州空間技術物理研究所電推進實驗室TS-6B真空系統上進行，TS-6B的直徑為3 m，長度為7 m，工作壓力為3.6×10-3Pa。推力器選擇LIPS200離子推力器，工質為Xe，推力40 mN/60 mN，比沖3 000 s/3 500 s，功率1 kW/1.6 kW，LIPS200推力器屏柵電壓1 000 V，加速柵電源電壓-185 V，總加速電壓1 185 V，Xe+被加速后的能量接近1 185 eV，羽流等離子體密度 1014～1016m-3。

羽流區探針組件（FP、柱形LP、平面LP和近場RPA）安裝在移動平臺上，如圖12所示，以推力器柵極幾何中心為O點，羽流中心線為Z軸，羽流水平徑向為X軸，豎直徑向為Y軸，試驗前首先將移動平臺固定在OZ=100 mm位置，再將探針沿X方向從0～800 mm范圍內以步階10 mm移動，每移動一個點采集一組數據。X方向掃描結束后，再以50 mm為步階，增加OZ（100～800 mm）距離，重復上述步驟，完成XOZ平面內等離子體參數空間分布測試。遠場RPA和球形LP固定在返流區（200 mm，-300 mm，300 mm）位置。

圖12 電推進羽流診斷系統探針組件試驗系統Fig.12 Test system of probe assembly for EPPDS

PPU單片機在每一空間位置順序采集FP、LP、RPA的等離子體電流數據，然后將該數據傳輸給測控軟件數據處理單元，數據處理單元自動存儲該數據和對應的空間位置信息，并自動生成Ji-r曲線或I-V曲線。

3.2 試驗結果

（1）FP性能驗證

FP性能驗證的目的是能否正確獲取Ji-r曲線。圖13是FP在距LIPS200推力器出口平面150 mm測量的Ji-r曲線。可以看出，FP測量的羽流離子密度在0.02～0.8 mA/cm2，羽流中心峰值區域直徑為90 mm，對應的離子密度范圍0.66～0.80 mA/cm2；羽流中心區域內出現3個電流密度波峰和2個電流密度波谷，波峰值分別為0.71 mA/cm2、0.74 mA/cm2和0.80 mA/cm2，波谷值分別為0.66 mA/cm2和0.70 mA/cm2。電流密度曲線飽和部分的波峰波谷反映了推力器磁場分布特性，該測量結果符合200 mm羽流口徑的離子推力器在單點工況下0.5～1.89 mA/cm2的理論值[13]。

圖13 法拉第探針在LIPS200羽流區測量的Ji-r曲線及診斷結果Fig.13 Ji-r curve measured with FP in plume of LIPS200 and diagnostic results

（2）LP性能驗證

LP性能驗證的目的是能否正確獲取I-V曲線，并通過曲線計算等離子體參數。圖14、圖15分別為柱形LP、平面LP在LIPS200羽流中心線OZ=500 mm處測量的I-V曲線。圖16為球形LP在返流區測量的I-V曲線。柱形LP在-20～40 V測量的電流在5×10-5～5.5×10-3A，診斷結果：kTe=1.3 eV，ne=2.1×1015m-3，Vs=4.6 V；平面LP在-20～40 V測量的電流在7×10-5～9.8×10-3A，診斷結果：kTe=1.2eV，ne=2.0×1015m-3，Vs=4.6 V；柱形LP、平面LP診斷結果非常接近，說明探針對同一空間位置的等離子體參數診斷是客觀的；球形LP在返流區診斷的kTe=1.8 eV，ne=3.3×1013m-3，Vs=12.9 V。返流區kTe比羽流區的kTe大0.5～0.6 eV，原因可能是從中和器發出的電子大部分進入羽流區，少部分進入返流區。進入羽流區的電子與羽流離子碰撞并能量交換，而進入返流區的電子未參與離子能量交換，因此返流區電子相對于羽流區電子能量較高。

圖14 柱形LP在LIPS200羽流區測量的I-V曲線及診斷結果Fig.14 I-V curve measured with cylindrical LP in plume of LIPS200 and diagnostic results

圖15 平面LP在LIPS200羽流區測量的I-V曲線及診斷結果Fig.15 I-V curve measured with planer LP in plume of LIPS200 and diagnostic results

圖16 球型LP在LIPS200返流區測量的I-V曲線及診斷結果Fig.16 I-V curve measured with spherical LP in backflow of LIPS200 and diagnostic results

（3）RPA性能驗證

RPA驗證的目的是為正確獲得I-V曲線，并根據對I和V的差分ΔI和ΔV，得到-dI/dV-V曲線，進而對該曲線做Gauss函數擬合，得到離子電壓分布函數（IVDF），最終根據式（7）得到羽流離子的Ei/q值。

圖17為RPA在LIPS200羽流中心線OZ=500 mm處測量的I-V曲線、差分后的-dI/dV-曲線及其Gauss擬合曲線結果，診斷結果為：Ei/q=1 001 eV±44 eV（k=2），能量分辨率ΔE（FWHM）=52.3 eV。LIPS200的總加速電壓1 185 V，說明LIPS200離子推力器羽流多荷離子比例較小。圖18為RPA在LIPS200返流區診斷結果：Ei/q=9.4 eV±3.0 eV（k=2），能量分辨率ΔE（FWHM）=3.5 eV。返流區離子是羽流中高能Xe+與中性Xe進行能量交換后擴散到返流區的低能Xe+，因此攜帶能量低。

圖17 RPA在LIPS200推力器羽流區測量的I-V曲線及診斷結果Fig.17 I-V curve measured with RPA in the plume of LIPS200 and diagnostic results

圖18 RPA在LIPS200推力器返流區測量的I-V曲線及診斷結果Fig.18 I-V curve measured with RPA in backflow of LIPS200 and diagnostic results

4 結論

電推進羽流診斷系統探針組件是蘭州空間技術物理研究所自主研制的集FP、LP和RPA及其電源處理單元和測控軟件為一體的電推進羽流智能診斷系統，在LIPS200離子推力器上的初步性能驗證結果表明：

（1）FP能夠獲得完整典型的Ji-r分布，距推力器出口平面150 m處的Ji-r曲線離子密度范圍在0.02～0.8 mA/cm2，電流密度在 0.66～0.80 mA/cm2的羽流離子集中在直徑為90 mm的范圍內。

（2）LP能夠獲得典型的I-V曲線，在羽流中心線OZ=500 mm處，柱形LP診斷的kTe=1.3eV，ne=2.1×1015m-3，Vs=4.6 V；平面LP診斷的kTe=1.2eV，ne=2.0×1015m-3，Vs=4.6V；球形LP在返流區診斷的kTe=1.8 eV，ne=3.3×1013m-3，Vs=12.9 V。柱形LP和平面LP雖然結構和尺寸不同，但對同一空間位置診斷的等離子體參數非常接近，說明LP診斷結果可信。

（3）RPA能夠獲得典型的I-V曲線，在羽流中心線OZ=500 mm處，由IVDF得到的Ei/q=1 001 eV±44 eV（k=2），能量分辨率ΔE（FWHM）=52 eV，診斷能量小于1 185 eV的理論加速能量，考慮多電荷離子的存在，試驗結果正確。RPA在返流區測量的Ei/q=9.4 eV±3.0 eV（k=2），能量分辨率ΔE（FWHM）=3.5 eV。

上述結果表明電推進羽流診斷系統探針組件能夠正確實現等離子體電流傳感，PPU能夠為探針提供診斷所需的偏置電壓和掃描電壓，準確采集探針電流，測控軟件能夠實現數據傳輸和平滑，繪制Ji-r或I-V曲線，輸出診斷結果。后續將開展數據算法優化和不確定度的研究。