离子推力器放电室等离子体诊断技术研究进展

宋莹莹，顾 左，吴辰宸，王 蒙

（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）

离子推力器放电室等离子体诊断技术研究进展

宋莹莹，顾 左，吴辰宸，王 蒙

（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）

离子推力器放电室等离子体诊断对研究放电室等离子体特性及放电室性能具有重要意义。为了研究离子推力器放电室等离子体放电过程，调研了国外离子推力器放电室等离子体诊断技术的研究现状，分析了接触式静电探针技术和非接触式光谱技术的工作原理、应用范围、实施要点、技术成熟性、诊断可靠性等。静电探针技术成熟、理论较完善、成本低、操作方便，但会对等离子体产生干扰；光谱技术显著降低了诊断工具对等离子体的干扰，能获得较多精确的等离子体参数，越来越多的应用于等离子体诊断领域。调研分析可以为国内离子推力器放电室等离子体诊断技术提供参考。

离子推力器；放电室；等离子体诊断；静电探针技术；光谱技术

0 引言

离子推力器放电室等离子体诊断对于研究放电室内部等离子体特性及放电室性能具有重要意义，放电等离子体参数分布一方面有助于深入理解放电等离子体物理运动过程，另一方面可以为放电室数值模型和理论模型提供验证，为推力器电气参数、放电室结构等设计与优化提供参考。目前由于试验条件限制及诊断难度大，国内很少开展离子推力器放电室等离子体诊断工作，国外开展不同形式的离子推力器放电室等离子体诊断，研究相对比较成熟。通过对国外相关技术研究进展进行分析，可以为国内离子推力器放电室等离子体诊断技术提供参考。

1 离子推力器放电室等离子体诊断技术研究

等离子体诊断技术一般分为接触式诊断和非接触式诊断两种，前者以静电探针技术为主；后者以光谱技术为主。

1.1 静电探针技术

静电探针是利用等离子体中的静电现象，通过将金属探针插入等离子体中，并对其相对另一金属电极施加正或负的偏置电压以收集电子或离子电流，静电探针主要有单探针、双探针、发射探针等。离子推力器发展早期，一些研究者借助静电探针技术对离子推力器放电室等离子体特性参数进行诊断，寻求离子推力器有效设计方法。Masek[1]将测量所得离子密度和电子温度作为输入条件，利用一些半经验参数进行修正，建立了放电室特性参数与等离子体之间的关系，但由于测量方式比较粗略，探针精度有限，Masek模型不能有效指导推力器设计。Milder[2]将测量所得原初电子温度和麦氏电子温度分布作为输入参数，建立放电室特性计算方法，计算过程复杂，测量误差较大，精度有限。但是早期研究通过对离子推力器放电室等离子体诊断，结合放电室特性参数的计算分析，给离子推力器放电室设计提出了实用的改进建议，如摒弃了径向磁场构形，增加了阴极处挡板设计，显著地增加了放电室等离子体的均匀性。

1.1.1 单探针技术

单探针实验装置及I/V特性曲线如图1所示，电压扫描电源（通常电压扫描范围为±100 V）用于偏置探针电压，数据采集处理设备可以采用示波器、XY记录仪、电压表或计算机。从探针I/V特性曲线可以确定等离子体的基本参数：电子密度ne、离子密度ni、电子温度Te、等离子体空间电位Φp、悬浮电位Φf和电子能量分布函数（EEDF）。在探针测量中，许多非理想效应可能产生各种误差，如通过探针I/V曲线的拐点得到等离子体电位可能会因为探针污染、探针干扰、磁场影响等问题而不准确。

图1 单探针实验装置及I/V特性曲线Fig.1 Experimental setup for single Langmuir measurements and typical I-V curve

1987年Arakawa等[3]建立了环切场离子推力器放电室阳极壁面等离子体鞘层理论模型，可以用来计算离子在阳极壁上的损失，因此能相对精确地计算放电室性能参数。利用单探针测量放电室阳极壁面附近的等离子体密度，进而得到损失在阳极壁面的离子份额，通过实验数据验证了理论模型的正确性。

1989年Hayakawa等[4]利用单探针测量离子推力器放电室电子能量分布。通过对放电室内多于20个点进行诊断发现，放电室电子能量分布并不服从麦克斯韦-玻尔兹曼定律，原初电子并不是单能电子，而且在阴极顶附近密度比麦氏分布高，电子束迅速扩散到放电室下游，有一小部分能量很高的电子能够到达栅极，会造成输入电子能量的损失。因此通过测量电子能量分布可以为放电室设计改进提供参考，进一步阻止高能电子直接扩散到放电室下游造成损失，能够提高推力器电效率。

1997年Monterdey等[5]用单探针对Kaufman离子推力器放电室耦合等离子体进行诊断。探针直径为0.5 mm的圆柱形探针，假设探针鞘层为无碰撞鞘层，探针数据采用Savitzky-Golay方法平滑化处理I/V特性曲线，并获得电子能量分布函数。通过对稳定状态的“点模式”放电和不太稳定的“羽流模式”放电的等离子体诊断发现，由等离子体不稳定引起的电子噪声严重干扰探针诊断结果，使得分析不准确。

2003年Ballesteros等[6]设计了完整的单探针自动诊断系统，电子能量分布使用Druyvesteyn公式求解，程序基于Labview环境开发，可以适应任何常用的平台实验仪器。测量系统的数据采集与处理时间约0.5 s，因此通过扫描可以得到EEDF的时间演变，进而能够用来分析等离子体的漂移。

2004年Sengupta等[7]用单探针对30 cm NSTAR型离子推力器放电室内部较大区域径向等离子体进行诊断。探针安装及移动平台实物图如图2所示，探针从阳极壁侧面进入放电室，定位在阴极顶下游1、2、3、4、6 cm的锥段区域与10 cm和14 cm处的柱段区域，使用LABVIEW数据采集系统控制平移台、电子快门、探头电源、记录I/V数据，探针在放电室停留时间小于1 s，使用光纤链路模块传输信号，能在较大程度上降低误差。探针直径为0.10～0.15 cm的圆柱形探针，假设放电室内电子能量具有麦克斯韦分布（对于非阴极羽流区误差可以接受），探针鞘层使用受限轨道运动（OML）理论描述，将Langmuir探针I/V特性曲线指数部分使用线性拟合软件IGOR对数化处理，直接由处理后曲线斜率可以得到电子温度。

图2 探针安装及移动平台实物图Fig.2 views of Langmuir probe installation and translation stage

2004年Herman等[8]对30 cm NSTAR型离子推力器放电阴极组件（DCA）附近区域进行单探针诊断。高速探头定位系统（HARP）快速而精确的将探针定位在放电室的相应位置并能够快速撤离，在高浓度放电羽阴极流内的DCA下游探针的停留时间为100 ms，减小探头对等离子体的干扰及减轻探针损坏。探针直径为0.18 mm，在高密度放电阴极羽流区，探针直径大于德拜长度，满足薄鞘假设；阳极附近电子密度较小，德拜半径超过探针直径，通过对鞘层偏移迭代进行修正鞘层。假设放电室中的电子是由单一能量的原初电子和具有麦克斯韦分布的二次电子组成，可以获得放电阴极羽流区原初电子能量和密度信息。利用此诊断平台研究了束流引出对阴极羽流区电子密度和温度的影响，给定离子推力器相同的输入条件，束流引出相比于未引出束流情况下，会使阴极羽流区电子密度升高，电子温度变宽。

2005年Herman等[9]针对40 cm NEXT型离子推力器开展了离子推力器放电室的电子能量分布函数（EEDF）的单朗缪尔探针诊断工作。朗缪尔探针外部电路如图3所示，实验使用了两种技术获得EEDF，Druyvesteyn（或二阶导数法）用来获得在引出束流情况下放电室的EEDF，谐波法（或交流法）用于获取没有引束流情况下的EEDF。

图3 Druyvesteyn和谐波法的外部电路Fig.3 Druyvesteyn and Harmonic methods circuit diagram

近DAC区域附近的磁场强度最大为几十高斯，在靠近阳极磁极处磁场强度可以达到几百个高斯，工作气压约为0.013 Pa，能够达到Passoth所提出的B/P0≤1.92 T/Pa的限制要求，因此EEDF的各向异性可以忽略不计。Druyvesteyn方法假设电子在探针表面速度分布是各向同性的，则EEDF与探头电流的二阶导数成比例，每次求导后对曲线进行平滑化处理以减小噪声。谐波法是利用由锁相放大器测量的探针电流的二次谐波与探针电流的二阶导数有关，进而可得到电子能量分布，通过对测量信号进行平均消除噪声。两种技术所得的EEDF由于束流处理方式的不同而产生微小差异，表明放电等离子体与束流之间存在耦合关系。

2004～2009年Sengupta等[10-11]利用单平面探针测量NSTAR离子推力器的四种磁场位形下的放电室等离子体参数。平面探针直径与厚度之比设计为100，故探针边缘效应可以忽略不计，实验采用的是理想状态下的探针理论。由二维静磁解算器对放电室磁场进行仿真，并结合分析模型和实验测量研究磁场位形对放电室等离子体约束与等离子体均匀性的影响，并提出了用于减少放电室放电损失和改善等离子体均匀性的磁场设计与优化建议。

1.1.2 双探针技术

双探针测量及典型I/V特性曲线[12]如图4所示，如果两探针完全相同（形状和表面积相同），其所在的局部空间的等离子体是均匀的，且具有相同的等离子体电位，则其伏安特性曲线是正负对称的。双探针悬浮，整个探针系统流向等离子体的净电流为0，当V≠0时，电流在两个探针之间流动；当V很大时，电位偏低的探针2基本上收集离子饱和电流，等于探针1收集的净电子电流。双探针系统的优点[13]是其净电电流值绝不会超过离子饱和电流，所以能最大限度地降低对放电等离子体的干扰；双探针测定电子温度与等离子空间电位无关，从而可以避免受等离子区空间电位变化的影响。但探针都只收集处于分布函数尾部的高能电子，所以无法获得电子密度；双探针电极之间存在间隙限制，降低了双探针的空间分辨率。

2003年Herman等[14]使用双探针技术研究30 cm离子推力器DCA附近区域等离子体电子温度分布。双探针结构简图与双探针电路图如图5所示，使用双探针诊断无法将原初电子与二次电子区分开来考虑，不考虑磁场对探针测量的影响，电子温度取决于I/V曲线斜率与离子饱和电流，因此零偏置位置的斜率和离子饱和电流两方面的误差会使电子温度噪声较明显。实验讨论了束流引出对放电室等离子体参数的影响，并通过降低放电阴极流率，发现放电阴极从点模式向羽流模式过渡，并且产生高温度电子区域。

图4 双探针测量及典型I/V特性曲线Fig.4 Experimental setup for double Langmuir measurements and typical I-V curve

图5 双探针结构简图与双探针电路图Fig.5 Double probe tip design and circuit diagram

1.1.3 发射探针技术

发射探针[15]是一根能发射电子的热金属丝，探针头使用高电阻率、高熔点的环状导线，可以避免探针表面的沉积污染。在理论上[16]，当灯丝加热充分时，发射探针发射电子，保证探针与等离子体间的欧姆接触，离子正电荷鞘层不能形成，使得电子温度不影响探针与等离子体间的接触，可以准确测量等离子体电位，却无法测量电子温度。事实上，对于强发射的悬浮探针，由于空间电荷限制会产生双鞘层。通常对发射探针进行I/V特性曲线求导得到拐点，等离子体电位即为拐点处探针电位。

2005年Herman等[17]针对NEXT型离子推力器开展了离子推力器放电室等离子电势发射探针诊断工作。发射探针电路如图6所示，直流电源用来加热灯丝，两个AD210隔离放大器记录发射探针电势和跨过灯丝的电压降，整个电路使用高压SHV同轴电缆来降低噪声。大磁场和密度梯度的出现会增加与空间电荷限制发射相关的问题，发射电子不再是自探针头向各个方向运动，增加了发射探针电势与局部等离子体电势的差异，Hershkowitz等[15]研究表明当时，磁场对发射电子的影响可以忽略。发射探针灯丝直径为0.13 mm，放电室电子温度在2～7 eV，根据Hershkowitz方程得出当B≪0.065 T时磁场影响可忽略，因此放电室磁场对发射探针的影响可以忽略。试验得到了放电室等离子体电势分布，证实了放电阴极与主要等离子体区之间存在双层电势结构，由于双层结构与DCA附近的轴向磁场距离很近，使得放电阴极羽流变窄。

图6 发射探针电路图Fig.6 Floating emissive probe circuit diagram

1.2 光谱技术

光谱技术是一种主动而无干扰的等离子体诊断的方法，时空分辨率较高，能获得丰富的等离子体参数，如电子、离子温度、密度以及等离子体电离程度等参数。主要的光谱技术有激光汤姆逊散射技术、发射光谱技术、激光诱导荧光技术等。

1.2.1 激光汤姆逊散射技术

激光汤姆逊散射技术（LTS）诊断等离子体的基本原理[18]为激光束通过等离子体时被等离子体的波散射，散射光的功率谱由不同的电子散射电场干涉叠加而成，散射光在探针光频率附近发生共振现象，这个范围的散射光谱集中了等离子体的大量信息。散射光谱反映了单个电子的多普勒运动，散射强度与电子数密度（ne） 成正比，激光差分波长的平方(∆ λ)2与电子能量成正比，进而能得出等离子体电子密度、温度、能量分布函数等参数。随着信号积累技术的应用，LTS测量等离子体密度的范围已经从 ne＞1019m-3扩展到 ne＜1016m-3，目前 LTS 已经广泛应用在电推进系统的等离子体诊断。

2012～2016年Yamamoto等[19-20]使用LTS对30 W微型微波离子推力器等离子体电子温度、密度、电子能量分布函数多个参数进行诊断。LTS的实验测量装置如图7所示，波长为532 nm的YAG激光器发射激光束，通过f=200 mm的聚焦透镜进入放电室等离子体中，来自等离子体的散射光经过f=350 mm和f=250 mm的两个消色差透镜会聚到三光栅光谱仪（TGS），由光电倍增管（PMT）进行检测。当激光强度较高时，被激发的氙原子发生光电离会对等离子体产生干扰；在激光强度低于激发态氙原子发生光电离的阈值时，对所得到的汤姆逊谱分析，得到等离子体电子温度、密度，并表明EEDF是麦克斯韦分布。

图7 LTS实验测量装置Fig.7 Experimental setup for LTS measurements

1.2.2 发射光谱技术

发射光谱法是利用激发态的物质跃迁到较低能态时发射光谱的原理，通过测量谱线的波长和强度，对等离子体中存在的各种粒子种类、等离子体温度等参数进行分析。发射光谱法因其灵活的适用性和非干扰特性而得到了最为广泛的应用，但是相应的测量技术和理论分析方法有限，使得发射光谱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]使用发射光谱技术用于获取NSTAR型离子推力器放电室内中性氙原子相对密度分布，实验使用光纤探头将激发态氙原子因跃迁发射的光通过的光收集窗口传输到可调光谱仪（光谱仪调至823.1 nm），经过增强型光电倍增管（PMT），将输出信号送入数据采集系统中进行储存、处理。PMT的输出电压信号与激发中性氙气的通量成正比，由于很难对光学探针进行绝对校准，因此实验只获取了离子推力器放电室氙原子的相对密度分布。

1.2.3 激光诱导荧光技术

激光诱导荧光技术（LIF）属于非浸入式测量技术，适合诊断小物理尺度环境和局部高密度等离子体性质。通过调谐激光波长使得特定波长激发特定粒子，就可以得到荧光激发光谱，将这些荧光信号经光学器件收集并转化为电信号输入计算机，通过分析荧光强度便可确定处于基态的分子、原子、离子以及亚稳态或不稳定激发态的密度。由于发射荧光的时间远小于微秒，必须用脉冲宽度为纳秒量级的激光脉冲来激发荧光。激光诱导荧光技术灵敏度很高，可以测量到谱线展宽，根据激光诱导荧光光谱的谱线宽度，可以通过公式直接得到等离子体中的离子温度。根据多普勒效应，还可以获得等离子体中的原子和离子的速度分布函数。但是这种方法会干扰等离子体的电离过程，从而导致放电状态的改变，放电电流会出现变化，而且所需实验仪器复杂而且昂贵。

2000年Williams等[21]为了研究离子推力器空心阴极附近高能离子对触持极腐蚀机理，采用LIF测量空心阴极羽流区的高能离子能量分布。通过测量空心阴极工作在放电模式为“点模式”和“羽流模式”下的空心阴极羽流区轴向和径向的氙离子的速度分布，进而计算出离子能量分布，验证了产生高能离子的电势阱模型的正确性。

2000年Williams等[22]使用LIF确认30 cm离子推力器放电阴极的相关腐蚀速率和碰撞粒子产生机制，主要针对Mo和W的腐蚀产物与氙原子和一价氙离子进行测量，离子速度分布确定了在腐蚀区域附近的返流离子能量足够产生可直接观察程度的腐蚀，同时观察到阴极下游存在势阱，并且离子进入电势阱后获得电势能产生高能离子腐蚀触持极。

2 结论

分析了几种常用离子推力器放电室等离子体诊断技术的主要特点，并结合应用中需要考虑的因素，对相关诊断技术进行了对比分析，得到结论：

（1）接触式诊断技术与非接触式技术的比较

接触式诊断技术与非接触式诊断技术相比，技术相对成熟，精确快速定位技术、数据采集技术和各种降噪技术能最大限度的保证获取相对精确的诊断数据；接触式技术操作简单，仪器容易制造，成本相对较低，目前应用广泛。但是接触式不可避免的会对等离子体产生干扰，且探针理论基于一系列假设，数据处理较为复杂；非接触式技术能最大限度地降低诊断工具对等离子体的干扰，对等离子体环境的要求较低，而且能够较为精确地获取更多的等离子体参数，随着技术与理论的发展与完善，非接触式诊断越来越多的应用于等离子体诊断领域。

（2）探针技术的比较

单探针与其他类型的静电探针相比，空间分辨率高，单探针理论发展较为完善，通过分析其I/V特性曲线能够获得较多等离子体参数，应用最为广泛；双探针对等离子体的干扰最小，但空间分辨率相对较低，且无法获得电子密度，电子温度噪声较为明显；发射探针理论发展较为成熟，电子发射能有效避免探针污染，对等离子体电位诊断较为准确，应用也越来越多。

（3）光谱技术的比较

激光汤姆逊散射技术（LTS）能够较精确的获得电子密度、温度、能量分布函数等参数，技术相对成熟，目前已经广泛应用在电推进系统的等离子体诊断。发射光谱技术是最常用、简单的测量方法，但是由于光学探针的绝对校准较为困难，通常用于获得原子相对密度分布；激光诱导荧光技术发展较为成熟，能有效控制激发光子的能量和数量，因此比发射光谱更好的定量，由于其灵敏度高，能有效获得原子速度分布、离子温度分布、离子能量分布等，目前主要用于研究离子推力器空心阴极附近高能离子对触持极腐蚀机理，但是这种方法会干扰等离子体的电离过程，从而可能改变放电状态。

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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

宋莹莹（1992-），女，河南人，硕士研究生，主要从事空间电推进技术与工程。E-mail:songyzly@163.com。