电推进羽流诊断系统探针组件研制及应用验证

田 恺，陈 焘，陈新伟，赵 勇

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

0 引言

随着我国电推进产品技术成熟度的提高，越来越多的电推进产品应用于卫星姿态与轨道控制、轨道转移和深空探测。同时，电推进的快速综合诊断也成为我国电推进技术发展必须解决的技术难题。电推进羽流诊断是利用朗缪尔探针（Langmuir Probe，LP）、法拉第探针（Faraday Probe，FP）和阻滞势分析仪（Retarding Potential Analyzer，RPA）分别对羽流等离子体参数（电子温度kTe、电子密度ne和等离子体电位Vs）、离子电流密度Ji和单位电荷离子能量（Ion Energy-per-charge，Ei/q）进行诊断，诊断结果用于电推进对航天器带电影响评估、束流发散角推力修正和栅极寿命预测。

国外对电推进羽流诊断研究非常重视，诊断试验几乎与电推进研制同步开展。自1960年世界第一台离子电推进工程样机由路易斯研究中心研制成功以来，FP、LP就被用于诊断电推进羽流[1]。1980-2000年，随着电推进技术研究的深入，美国空军火箭推进实验室（AFRPL）[2]、密歇根大学[3]等还研制了E×B探针、石英晶体微量天平（QCM）等测试装置，对羽流双荷离子比例和沉积污染效应进行诊断，这些研究不仅获得了大量的电推进羽流特性数据，而且为分析羽流与航天器相互作用提供了技术支撑。2000年后，美国电推进羽流诊断主要关注羽流返流区等离子体对电推进寿命及航天器的影响评估，采用的探针仍然是经典的FP、LP、RPA组合[4]。2010年后，电推进诊断技术采用探针阵列与光学探针相结合的方法，对羽流离子电流密度分布、能量分布、质量分布、速度分布以及成分进行精细化诊断[5-6]，诊断结果直接成像。国外从事电推进羽流诊断技术研究的知名机构有德国莱布尼茨研究所[6]和意大利Laben/Proel公司[7]等。总体而言，国外电推进羽流诊断系统朝多功能、智能化和精细化方向发展。

国内电推进诊断技术研究起步较晚。兰州空间技术物理研究所作为我国最早开展电推进研究的专业研究所，自1991年始，先后研制了耙形FP、FP阵列、LP、RPA等探针，开展了离子电推进和霍尔电推进羽流地面和在轨诊断研究[8-10]，为电推进的空间应用和羽流防护提供了试验数据。国内从事电推进羽流诊断技术研究的主要单位还有北京航空航天大学[11]，上海航天801所[12]等。总体而言，国内自研的探针诊断设备功能单一、数据采集繁琐，没有形成智能系统。国外虽有商用电推进诊断探针，但产品功能单一，存在进口风险。本文针对国内主流离子电推进和霍尔电推进羽流的诊断需求，研制电推进羽流诊断探针组件并开展初步性能验证。

1 探针组件

电推进羽流诊断系统（Electric Propulsion Plume Diagnostic System，EPPDS）探针组件由FP、LP、RPA、电源处理单元（Power Processing Unit，PPU）和测控软件组成。其中，FP用于电推进羽流径向离子电流密度分布（Ji-r曲线，r为羽流半径）测量，通过Ji-r曲线诊断羽流平直度。LP用于羽流区和返流区kTe、ne、Vs诊断；包括柱形、平面和球形三种LP，柱形LP和平面LP用于羽流区等离子体诊断，球形LP用于返流区等离子体诊断，平面LP的优势在于对Vs诊断比柱形LP准确。RPA用于羽流区和返流区离子能量分布诊断。PPU为探针提供偏置电压和扫描电压，同时对探针电流（I）、电压（V）进行采集并将采集数据传输给上位机。测控软件用于控制探针移动定位，处理来自PPU的采样数据，绘制Ji-r或I-V曲线，输出诊断结果。

探针技术指标应满足电推进羽流诊断需求。离子电推进羽流具有离子能量高、等离子体密度低的特点，如LIPS200离子电推进羽流的离子加速能量在1 185 eV左右，离子电流密度0.5～2 mA/cm2[13]，等离子体密度1×1015～5×1015m-3，电子温度2～4 eV[14]。霍尔电推进羽流具有离子能量低、等离子体密度高的特点，如LHT40霍尔电推进羽流的离子加速能量为300 V左右，离子电流密度为12.5 mA/cm2，等离子体密度为2×1016m-3，电子温度2～4 eV，等离子体电位4～18 V[15]。表1是在调研国内外电推进羽流参数基础上确定的电推进羽流诊断系统探针组件的关键技术指标[11-16]。

表1 电推进羽流诊断系统探针组件关键技术指标Tab.1 Key technical indexes of probe assembly for EPPDS

2 产品研制

2.1 探针研制

（1）法拉第探针（FP）

FP用于获取Ji-r分布曲线，由收集极和屏蔽筒组成，如图1所示，收集极与屏蔽筒偏置电位为-30～-20 V，主要目的是滤除羽流中的电子，同时减小探针边缘效应。羽流等离子体到达FP收集极后，电子被排斥，离子被收集，通过采样电阻计算离子电流密度Ji：

图1 FP工作原理Fig.1 Schematic of FP

式中：V为采样电压；R为采样电阻；A为收集极有效收集面积。

FP设计主要参数为收集极尺寸、收集极与屏蔽筒之间的间距和屏蔽筒尺寸。收集极尺寸由羽流等离子体密度、加工工艺及电流采样的分辨率决定。FP收集极设计为直径12 mm，厚0.5 mm的钼片；收集极与屏蔽筒的间距通常为5～10λD，λD为电子的德拜长度（单位为cm）：

式中：kTe为电子温度，eV；ne为电子密度，cm-3。按照表1参数优化计算结果，间距设计值为1 mm。屏蔽筒设计为内径14 mm，厚0.5 mm的不锈钢套筒；收集极与屏蔽筒之间用Al2O3陶瓷绝缘。图2为研制的FP。

图2 FP产品照片Fig.2 Picture of FP product

（2）朗缪尔探针（LP）

LP用于羽流等离子体电子温度kTe，等离子体电子密度ne和等离子体电位Vs等参数的诊断，采用单朗缪尔探针，结构通常为金属电极。当探针插入等离子体时，对探针施加从负到正的扫描电压V，同时采集探针收集的等离子体电流I，分析I-V曲线就可以确定等离子体参数。图3为单LP工作原理和I-V特征曲线。

图3 单LP工作原理及I-V曲线Fig.3 Schematic of single LP and I-V curve

图3中，Ie0、Ii0分别为电子饱和电流和离子饱和电流（单位为A）。Vf为探针电流为0时的扫描电压，称为悬浮电位。根据LangmiurI-V曲线分析理论[17]，Vs、kTe和ne计算公式为：

式中：（dI/dV）max表示I-V曲线的斜率最大值点。

式中：k为玻尔兹曼常数；1 eV=kTe（Te=1.160×104K）。

式（4）表明，kTe是lnI-V电子阻滞区曲线斜率的倒数。

式中：e=1.6×10-19C为基本电荷电量；me=0.91×10-30kg为电子质量。

LP设计要综合考虑被测等离子体的德拜长度、探针材料和机械加工、电流采样分辨率等因素。在满足这些条件的前提下，探针尺寸应尽可能小，否则会对待测等离子体产生很大扰动。通常要求探针半径rp必须满足[18]：

羽流区柱形LP的探针典型尺寸设计直径0.3 mm，长10 mm，平面探针的直径为6 mm，厚为0.5 mm；返流区球形探针的直径为30 mm。探针材料为钨，探针绝缘护套为Al2O3陶瓷，图4为研制的柱形、平面形和球形LP。

图4 LP产品照片Fig.4 Picture of LP product

（3）阻滞势分析仪（RPA）

RPA用于测量单位电荷离子能量分布，羽流离子中除了Xe+外，还有Xe2+和Xe3+，在相同的推力器加速电压Va下，Xe2+和 Xe3+携带的Ei分别是 Xe+的 2倍和3倍，由于RPA无法区分离子携带的电荷态q，所测量的离子能量为平均到每个电荷的离子能量（Ei/q）。

RPA主体结构由栅网和收集极组成。栅网包括G1、G2、G3和G4。G1接地，电位0 V，作用是对进入分析仪的离子通量进行衰减，并对其他栅网电位进行屏蔽，保护G1前面的被测等离子体不受其他栅网电场的影响；G2为电子排斥栅，悬浮（栅网与壳体绝缘，悬浮在等离子体中），偏置电位-20 V，作用是滤除电子，确保只有离子进入；G3为离子阻滞栅，悬浮，施加0～2 000 V扫描电压，作用是滤除低能离子，让Ei/q大于栅电压的离子通过G3；G4为二次电子排斥栅，悬浮，偏置电位为-20 V，作用是抑制收集极发射的二次电子；C为离子收集极，通过采样电阻R收集离子电流。RPA附属结构包括陶瓷垫圈、陶瓷内衬、不锈钢壳体、不锈钢盖板。图5为RPA工作原理图。

图5 RPA原理图Fig.5 Schematic of RPA

对RPA测量的I-V曲线一阶微分，得到-dI/dV-V曲线，再对该曲线做Gauss函数拟合，得到离子电压分布函数（Ion Voltage Distribution Function，IVDF）曲线，如图6所示，Ei/q可以通过IVDF峰值电流对应的电压Vi计算：

图6 RPA I-V曲线和离子电压分布函数Fig.6 I-V curve and IVDF of RPA

由于多荷离子的存在，Ei/q＜eVa，Ei/q值越小说明多荷离子比例越高。

RPA设计包括网孔直径、栅间距和衰减系数，这些参数均由德拜长度决定。网孔直径d0≤2λD才能使网孔对等离子体的屏蔽效应最小；栅网间距离x可以通过Hutchinson推导的Bohm通量与Child Langmuir通量之间的关系公式估算[19]：

式中：V为栅网间电压。

栅网对等离子体的衰减系数主要取决于G1栅，通过控制G1网孔数量将待测等离子体进行衰减，以保证进入到G2栅的等离子体具有较低的通量。G2栅处最大可允许的等离子体密度n由Green关系确定[20]：

式中：ε0=8.85×10-12F/m为真空电容率；x为栅网间距离；Ei为离子在G2栅处的最小动能，由推力器的加速电压Va确定：

式中：q为离子电荷态。

近场RPA收集极的有效直径设计为10 mm，远场RPA收集极设计为18 mm，为了减小空间电荷效应，进入G1栅的最大等离子体密度控制在5×1013m-3，Va取典型值1 kV，按式（8）～（10）计算结果，考虑加工工艺，G1栅网网孔直径设计为0.3 mm，衰减系数0.2；G2～G4栅网网孔直径设计为0.4 mm，衰减系数0.4；栅距2 mm；栅网和收集极材料为钼，栅间绝缘材料为Al2O3陶瓷。图7为研制的近场和远场RPA。

图7 近场和远场RPA产品照片Fig.7 Photos of near-field and far-field RPA products

2.2 电源研制

电推进羽流诊断探针组件电源处理单元PPU由6个线性程控电源模块和3个电流采集模块组成，如图8所示。电源模块包括：FP的-60 V屏蔽筒程控电源、-60 V收集极程控电源；LP的±200 V程控电源块；RPA的G2 0～30 V程控电源、G4的0～30 V程控电源和G3的0～2 000 V程控电源；电流模块包括：FP电流采集模块、LP电流采集模块和RPA电流采集模块。每个探针电源的开关机、输出电压、内部各路电压、电流采集均由单片机控制板完成，单片机控制板将采集数据传送至上位机测控软件，由测控软件进行分析数据、曲线生成和结果输出。计算机和单片机之间通过以太网实现指令控制和数据通信，探针与PPU信号传输电缆接插件采用J599。图9为研制的电源模块和电流采集模块。

图8 电源处理单元设计Fig.8 Design of PPU

图9 程控电源和电流采集模块Fig.9 Programmable power supply and current acquisition module

PPU为所有探针预留了信号检测接口，如图10所示，FP1和FP2分别为法拉第探针屏蔽筒和收集极偏置电压输出检测接口；LP为朗缪尔探针扫描电压输出检测接口；RPA-G2、RPA-G4为阻滞势分析仪G2栅网和G4栅网的偏置电压输出检测接口，RPA-G3为阻滞势分析仪G3栅网扫描电压输出检测接口。实际检测结果为：FP偏置电压-62～0 V；电流输出范围为0.8 μA～22 mA。LP扫描电压-210～210 V，电压步阶0.1～5 V；电流输出范围为0.8 μA～22 mA。RPA偏置电压-62～0 V，扫描电压1～2 100 V，电压步阶1～10 V；电流输出范围为6 nA～110 μA。检测结果满足表1 PPU指标要求。

图10 电推进羽流诊断系统探针组件电源处理单元产品Fig.10 PPU product of probe assembly for EPPDS

2.3 软件研制

电推进羽流诊断软件包括数据采集软件和测控软件，由C#语言编写。数据采集软件设计主要实现探针在规定空间位置或规定偏置/扫描电压下的等离子体收集电流采集。测控软件设计包括移动定位控制设计、通信控制设计、数据处理设计和控制界面设计等。移动定位控制主要实现探针在XOZ平面内沿羽流径向和轴向的移动定位。通信控制设计主要实现上位机与探针间的指令发送，数据传输。数据处理设计主要对FP、LP和RPA的采样数据进行异常数据剔除、数据平滑、Ji-r或I-V曲线生成，再根据理论公式计算出参数结果。控制界面设计包括探针位置信息显示，以及探针偏置电压、扫描电压、步阶电压赋值，图像曲线显示，诊断结果显示，探针界面切换和数据记录查询。图11为软件设计结果。

图11 电推进羽流诊断系统探针组件测试软件界面Fig.11 Test software interface of probe assembly for EPPDS

3 性能验证试验

3.1 试验系统

性能验证试验主要目的是验证各探针在电推进羽流环境下能否正确传感电流，软件能否正确采集电流，通过特征曲线计算出等离子体参数。试验在兰州空间技术物理研究所电推进实验室TS-6B真空系统上进行，TS-6B的直径为3 m，长度为7 m，工作压力为3.6×10-3Pa。推力器选择LIPS200离子推力器，工质为Xe，推力40 mN/60 mN，比冲3 000 s/3 500 s，功率1 kW/1.6 kW，LIPS200推力器屏栅电压1 000 V，加速栅电源电压-185 V，总加速电压1 185 V，Xe+被加速后的能量接近1 185 eV，羽流等离子体密度 1014～1016m-3。

羽流区探针组件（FP、柱形LP、平面LP和近场RPA）安装在移动平台上，如图12所示，以推力器栅极几何中心为O点，羽流中心线为Z轴，羽流水平径向为X轴，竖直径向为Y轴，试验前首先将移动平台固定在OZ=100 mm位置，再将探针沿X方向从0～800 mm范围内以步阶10 mm移动，每移动一个点采集一组数据。X方向扫描结束后，再以50 mm为步阶，增加OZ（100～800 mm）距离，重复上述步骤，完成XOZ平面内等离子体参数空间分布测试。远场RPA和球形LP固定在返流区（200 mm，-300 mm，300 mm）位置。

图12 电推进羽流诊断系统探针组件试验系统Fig.12 Test system of probe assembly for EPPDS

PPU单片机在每一空间位置顺序采集FP、LP、RPA的等离子体电流数据，然后将该数据传输给测控软件数据处理单元，数据处理单元自动存储该数据和对应的空间位置信息，并自动生成Ji-r曲线或I-V曲线。

3.2 试验结果

（1）FP性能验证

FP性能验证的目的是能否正确获取Ji-r曲线。图13是FP在距LIPS200推力器出口平面150 mm测量的Ji-r曲线。可以看出，FP测量的羽流离子密度在0.02～0.8 mA/cm2，羽流中心峰值区域直径为90 mm，对应的离子密度范围0.66～0.80 mA/cm2；羽流中心区域内出现3个电流密度波峰和2个电流密度波谷，波峰值分别为0.71 mA/cm2、0.74 mA/cm2和0.80 mA/cm2，波谷值分别为0.66 mA/cm2和0.70 mA/cm2。电流密度曲线饱和部分的波峰波谷反映了推力器磁场分布特性，该测量结果符合200 mm羽流口径的离子推力器在单点工况下0.5～1.89 mA/cm2的理论值[13]。

图13 法拉第探针在LIPS200羽流区测量的Ji-r曲线及诊断结果Fig.13 Ji-r curve measured with FP in plume of LIPS200 and diagnostic results

（2）LP性能验证

LP性能验证的目的是能否正确获取I-V曲线，并通过曲线计算等离子体参数。图14、图15分别为柱形LP、平面LP在LIPS200羽流中心线OZ=500 mm处测量的I-V曲线。图16为球形LP在返流区测量的I-V曲线。柱形LP在-20～40 V测量的电流在5×10-5～5.5×10-3A，诊断结果：kTe=1.3 eV，ne=2.1×1015m-3，Vs=4.6 V；平面LP在-20～40 V测量的电流在7×10-5～9.8×10-3A，诊断结果：kTe=1.2eV，ne=2.0×1015m-3，Vs=4.6 V；柱形LP、平面LP诊断结果非常接近，说明探针对同一空间位置的等离子体参数诊断是客观的；球形LP在返流区诊断的kTe=1.8 eV，ne=3.3×1013m-3，Vs=12.9 V。返流区kTe比羽流区的kTe大0.5～0.6 eV，原因可能是从中和器发出的电子大部分进入羽流区，少部分进入返流区。进入羽流区的电子与羽流离子碰撞并能量交换，而进入返流区的电子未参与离子能量交换，因此返流区电子相对于羽流区电子能量较高。

图14 柱形LP在LIPS200羽流区测量的I-V曲线及诊断结果Fig.14 I-V curve measured with cylindrical LP in plume of LIPS200 and diagnostic results

图15 平面LP在LIPS200羽流区测量的I-V曲线及诊断结果Fig.15 I-V curve measured with planer LP in plume of LIPS200 and diagnostic results

图16 球型LP在LIPS200返流区测量的I-V曲线及诊断结果Fig.16 I-V curve measured with spherical LP in backflow of LIPS200 and diagnostic results

（3）RPA性能验证

RPA验证的目的是为正确获得I-V曲线，并根据对I和V的差分ΔI和ΔV，得到-dI/dV-V曲线，进而对该曲线做Gauss函数拟合，得到离子电压分布函数（IVDF），最终根据式（7）得到羽流离子的Ei/q值。

图17为RPA在LIPS200羽流中心线OZ=500 mm处测量的I-V曲线、差分后的-dI/dV-曲线及其Gauss拟合曲线结果，诊断结果为：Ei/q=1 001 eV±44 eV（k=2），能量分辨率ΔE（FWHM）=52.3 eV。LIPS200的总加速电压1 185 V，说明LIPS200离子推力器羽流多荷离子比例较小。图18为RPA在LIPS200返流区诊断结果：Ei/q=9.4 eV±3.0 eV（k=2），能量分辨率ΔE（FWHM）=3.5 eV。返流区离子是羽流中高能Xe+与中性Xe进行能量交换后扩散到返流区的低能Xe+，因此携带能量低。

图17 RPA在LIPS200推力器羽流区测量的I-V曲线及诊断结果Fig.17 I-V curve measured with RPA in the plume of LIPS200 and diagnostic results

图18 RPA在LIPS200推力器返流区测量的I-V曲线及诊断结果Fig.18 I-V curve measured with RPA in backflow of LIPS200 and diagnostic results

4 结论

电推进羽流诊断系统探针组件是兰州空间技术物理研究所自主研制的集FP、LP和RPA及其电源处理单元和测控软件为一体的电推进羽流智能诊断系统，在LIPS200离子推力器上的初步性能验证结果表明：

（1）FP能够获得完整典型的Ji-r分布，距推力器出口平面150 m处的Ji-r曲线离子密度范围在0.02～0.8 mA/cm2，电流密度在 0.66～0.80 mA/cm2的羽流离子集中在直径为90 mm的范围内。

（2）LP能够获得典型的I-V曲线，在羽流中心线OZ=500 mm处，柱形LP诊断的kTe=1.3eV，ne=2.1×1015m-3，Vs=4.6 V；平面LP诊断的kTe=1.2eV，ne=2.0×1015m-3，Vs=4.6V；球形LP在返流区诊断的kTe=1.8 eV，ne=3.3×1013m-3，Vs=12.9 V。柱形LP和平面LP虽然结构和尺寸不同，但对同一空间位置诊断的等离子体参数非常接近，说明LP诊断结果可信。

（3）RPA能够获得典型的I-V曲线，在羽流中心线OZ=500 mm处，由IVDF得到的Ei/q=1 001 eV±44 eV（k=2），能量分辨率ΔE（FWHM）=52 eV，诊断能量小于1 185 eV的理论加速能量，考虑多电荷离子的存在，试验结果正确。RPA在返流区测量的Ei/q=9.4 eV±3.0 eV（k=2），能量分辨率ΔE（FWHM）=3.5 eV。

上述结果表明电推进羽流诊断系统探针组件能够正确实现等离子体电流传感，PPU能够为探针提供诊断所需的偏置电压和扫描电压，准确采集探针电流，测控软件能够实现数据传输和平滑，绘制Ji-r或I-V曲线，输出诊断结果。后续将开展数据算法优化和不确定度的研究。