电推力器羽流离子能谱测试仪设计及在轨数据分析

马亚莉，薛玉雄，陈益锋，王 鹢，高 欣，苗育君，田 恺

(兰州空间技术物理研究所空间环境材料行为及评价技术重点实验室，甘肃 兰州 730000)

0 引言

由于电推力器具有高推力比冲等优越性，可显著提高航天器的性能，电推力器正越来越广泛地被用于不同轨道航天器，尤其是大型长寿命LEO、GEO和深空探测航天器上［1］。但是由于电推力器粒子喷射及扩散，所产生的交换电荷等离子体羽流将对航天器表面、其他子系统及测试仪器产生物理、热、化学及机械影响［2－3］，对航天器运行及其寿命可能产生重要影响，因而必须尽可能多地获得电推力器交换电荷等离子体羽流的信息。

目前，电推力器已用于我国低地球轨道卫星，运行性能稳定。所搭载的等离子体诊断单元(包括阻滞势分析仪RPA、朗缪尔探针LP和石英晶体微量天平QCM)获得了大量等离子体羽流特性数据，为评价电推力器特性及对航天器的影响分析提供了重要依据。其中RPA用于获得等离子体中离子的能谱及其束流密度。当等离子体中离子能量大于被碰撞表面材料的溅射阈值，就会产生溅射腐蚀效应，因而所获得的离子能谱可直接评价羽流是否造成剥蚀效应。RPA在轨测量得到数据结果还可用于仿真软件的修正与改进。

1 RPA测试原理

RPA探头为平板探针结构，由一系列电极组成，电极间由绝缘垫圈相互隔离开来。RPA对等离子体中粒子的极性筛选及对离子能量的筛选是通过电场力对粒子的作用实现的。基本的RPA探头的横截面如图1所示。RPA探头结构第一层为入口栅网，在轨时与航天器结构地相连，使RPA探头内部与外部空间隔离开来。

图1 RPA探头横截面图

第二层为初级电子排斥栅网，通过给其施加相对于航天器结构地足够大的负电位，排斥掉来自入射等离子体中的电子。羽流等离子体中的电子和离子进入RPA探头后，在入口栅网和初级电子排斥栅网之间，正离子被加速而电子被减速排斥。能量小于施加负电压的电子将被排斥并最终随电压源流走或离开RPA探头。

第三层栅网为阻滞栅，该栅网上施加可变化正电压，实现离子能量选择。通过第二层栅网后，正离子将被减速，只有能量与电荷比Ei/qi大于阻滞栅电压的正离子才能克服电场力而通过该栅网并被收集极收集。

第四层栅网为二次电子排斥栅，该栅网上施加负电压，以防止进入RPA的离子碰撞RPA内部形成的二次电子到达收集极而产生测量误差，收集极位于四层栅网之后，收集极上所获得的离子电流随离子阻滞栅网电位的变化而变化，如图2中I－V曲线所示。

图2 RPA测试曲线图

对I－V曲线进行微分处理即可获得羽流等离子体的离子能谱分布信息。图2为测试I－V扫描曲线及其微分曲线，电流电压特性曲线的导数(dI/dV)与离子的能量分布成比例［4］。

RPA收集电流计算见公式(1):

式中:Ac为探针有效电流收集面积；qi为离子所带电荷数；ni为离子密度；umin(V)为能经过离子扫描栅极的离子最小速度；f(ui)为羽流离子速度分布函数。

其中:

由公式(1)和公式(2)，可得:

从公式(3)可见，对于同一种离子，收集电流对离子扫描电压的微分与离子电压分布函数成正比。因为Ei/qi=V，Ei为离子的能量，qi为常数，f(V)=f(Ei/qi)即离子的电压分布函数与能量分布函数等价。

2 RPA测试系统设计

电推力器以氙气为推进剂工质。预计返回到航天器的交换电荷等离子体中Xe+离子能量为0～80 eV，电子能量为 0．5～5 eV，等离子体密度为1011～1014个/m3，离 子 电 流 密 度 为 0．01 ～50 μA/cm2。由预计等离子体参数，完成了RPA测试系统设计。

2.1 RPA 测试系统

RPA测试系统主要由RPA探头和诊断线路盒两部分组成。诊断线路盒实现与航天器测控系统的通讯，为RPA探头栅网提供离子扫描电压和偏置电压，进行离子阻滞栅网扫描电压测量和收集极电流测量，如图3所示。

2.2 RPA测试准确性主要影响因素分析

RPA设计的关键在于探头设计，当等离子体进入RPA探头内部后，将产生空间电荷效应、静电透镜效应。由于这些现象的存在，必须对RPA探头进行精细设计。设计水平直接关系到RPA的能量分辨率，测试正确性及测试精度。

RPA为静电型等离子体探头，利用阻滞电场对正负粒子进行分离并对不同能量粒子进行筛选的，因而应尽可能使得RPA探头内部栅网之间电场为平行电场；但实际上，由于栅网为网孔结构且栅网间带电粒子的存在，即存在静电透镜效应和空间电荷效应而使得实际电场偏离平行电场，必须对探头结构尺寸进行设计以使上述两种效应影响最小化。

图3 RPA测试系统组成

2.2.1 静电透镜效应分析

栅网网孔及RPA探头内栅网间距较小都将造成栅网网孔处的有效电位(栅网网孔中心电位)低于所施加电压，存在电位的鞍形降落。在分析仪中，由于栅网两侧的电场强度不同而存在静电透镜效应，通常强场将穿过弱场区域，即等势线在栅网网孔处凸起，形成朝向弱场的凸面［5］。

影响有效电位的因素包括:栅网厚度、栅网网孔孔径、栅网间距。通过静电分析软件，可计算得到栅网间距、栅网厚度和栅网网孔孔径对栅网上的实际电位的影响关系。各参数对实际电位的影响如下:

(1)栅网网孔越小，有效电位越接近栅网施加电压；

(2)栅网间距越近，有效电位受到其他电极电位的影响越大，则栅网网孔处有效电位偏离施加电压越多；栅网间距越大，则有效电位越接近栅网施加电压；

(3)栅网越厚，有效电位越接近栅网施加电压。

对于初级电子排斥栅网，由于到达该栅网的是等离子体，要实现排斥电子的作用，该栅网网孔需小于德拜长度才能对等离子体产生电场作用。

从提高有效电位角度而言栅网越厚越好，但厚的栅网增加了撞击面积从而减少了通过的离子，同时使得离子碰撞产生的二次电子增加。使用间隔非常近的等电位双层栅网可达到厚栅网相同的效果，可使有效电位与施加电位比值达到98%［6］。

栅网间距越大则越有利于有效电位的提高，但由于栅网间带电粒子的存在，栅网间距不宜过大，否则将引起显著的空间电荷效应［7］，进而影响测试精度。

2.2．2 空间电荷效应分析

通过初级电子排斥栅网后，进入区域II(初级电子排斥栅和离子阻滞栅网之间的区域)的粒子均为正离子。当离子阻滞栅网电压为某一定值时，小于该电压对应能量的离子将分布在区域II内，从而产生空间电荷效应。即由于区域II中离子电荷的存在，使得该区域内电位高于真空时的水平。

研究结果表明，区域II内的等离子体密度n必须小于特定值，该值与初级电子排斥栅网G1处的最小离子动能E，栅网G1与离子阻滞栅网G2之间的间距L有关。空间电荷效应显著时，在区域II内将形成高于离子阻滞栅网电位的电位峰值，那么离子将会被这个高峰值电位所排斥，从而获得错误的低离子能量测试结果。

因而，为了能实现特定能量离子筛选功能，必须确保区域 II中的电位不能超过离子能量所对应的扫描电压。进入区域II内的等离子体密度与最大允许间距L必须满足确定的关系，在满足这一关系时，可保证区域II内不会出现超过扫描电压的高电位，这一关系表述为Green表达式［8］:

式中:E为初级电子排斥栅处的最小离子能量。初级电子排斥栅网所加电位可认为是离子的最小动能。由待测等离子体密度n及初级电子排斥栅处的最小离子能量E，可确定允许的最大间距L。

综上两种效应分析，结合具体待测等离子体参数及软件分析计算结果确定栅网网孔尺寸、栅网厚度及栅网间距等关键探头尺寸。确定栅网网孔大小为0．3 mm(小于等离子体的德拜长度0．53 mm)，初级电子排斥栅网和二次电子排斥栅网施加－30 V的直流偏置电压，这一负电压足以排斥掉所有的初级电子和二次电子。确定初级电子阻挡栅网电压后，由公式(4)计算得到栅网2和栅网3之间的最大允许间距为2.7 mm，因而将栅网间距定为2.5 mm。由于Xe+离子为一价离子，因而离子阻滞栅网施加电压在0～80 V范围即可覆盖整个离子能量范围，扫描电压为台阶式变化电压，电压步阶为0．5 V，实现对离子能量的精细分辨。对于特定栅网间距及栅网电压，通过Ansys计算发现，栅网厚度为0．2 mm时，计算得到的栅网有效电压与施加电压比值约为98%。

栅网均由316不锈钢加工而成，厚度为0．2 mm。各层栅网透过率均相同，约为0．5，总透过率 T"0．54=0．062 5，入口栅网直径为5 cm，电流有效收集面积为0．77 cm2。收集极由Mo01制成，选择Mo01为收集极材料是由于其具有低的二次电子发射系数。

3 在轨测试数据及分析

搭载RPA已获得了在轨100多天测试数据。在每一个扫描电压下，测量2～3个电流值，取其平均值作为该电压下的收集极电流值。随机选取多组测试数据，绘制出RPA的I－V测试曲线，曲线一致性较好。图4所示为获得的典型测试曲线。

图4 在轨RPA的I－V测试曲线

测量得到离子最大收集电流约为473 nA，可计算得到入射离子束流密度为568 nA/cm2。

由I－V曲线，可得到dI/dV曲线，即离子能谱分布曲线，如图5所示。

图5 离子能谱分布图

由dI/dV曲线，可获得交换电荷羽流等离子体中Xe+离子能谱特点。离子能量集中在12～25 eV，这一能量远低于铝的溅射阈值68 eV，因而可以认为电推力器所产生的交换电荷等离子体不会引起航天器表面材料的溅射。假设离子能量为15 eV，计算得到离子密度为8．2×1012个/m3；假设离子能量为20 eV时，计算得到的离子密度为7．1×1012个/m3。

表1所列为国外获得的在轨电推力器交换电荷等离子体参数。

表1 国外获得的在轨电推力器交换电荷等离子体参数［9－10］

在轨电推力器交换电荷等离子体参数与国外比对可以看出，羽流等离子体密度范围和离子能量范围相近。

4 结论

分析了影响RPA测试准确性的关键影响因素，设计出适合在轨电推力器能谱测试用长寿命、高精度RPA系统。采用所设计的RPA完成了在轨数据测试，获得了RPA所处位置处的等离子体能谱分布及等离子体密度范围。

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