王 濤，張?zhí)炱剑瑥埡Ａ?/p>

（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）

0 引言

放電室作為離子推力器的核心部組件，其性能優(yōu)劣決定著離子推力器工作性能[1]。在電推進(jìn)系統(tǒng)研究中開(kāi)展放電室等離子診斷研究具有重要意義，一方面放電室等離子參數(shù)分布有助于加深理解放電室內(nèi)的放電過(guò)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，為放電室磁場(chǎng)、推力器電氣參數(shù)、放電室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。離子推力器放電室等離子體診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真模型反復(fù)迭代修正，可以使仿真模型更加完善[2-4]。

朗繆爾探針技術(shù)是等離子診斷一種常用測(cè)量技術(shù)，與其他等離子診斷技術(shù)（如光譜診斷技術(shù)、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)[5]等）相比較，其突出的優(yōu)點(diǎn)是儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作且可獲取豐富的等離子參數(shù)。筆者以朗繆爾單探針為測(cè)量手段，設(shè)計(jì)了一種用于離子推力器放電室等離子體診斷的郎繆爾探針，并且對(duì)診斷實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的影響因素做了總結(jié)并提出了相應(yīng)的解決方法。

1 朗繆爾探針基本原理

朗繆爾探針?lè)ㄊ且环N應(yīng)用非常廣泛的等離子體診斷方法，其特點(diǎn)是探針作為一個(gè)插入等離子中的導(dǎo)電電極，其電位相對(duì)于等離子是可調(diào)的。電極末端用以收集來(lái)自等離子的電子或離子，收集到的是電子還是離子取決于探針相對(duì)于等離子體的電勢(shì)[6]。朗繆爾探針測(cè)試電路如圖1所示。假設(shè)等離子體的狀態(tài)在調(diào)節(jié)電位的過(guò)程中保持穩(wěn)定，調(diào)節(jié)掃描電源使探針的電位由負(fù)到正變化，在探針電位由負(fù)到正變化的過(guò)程中，記錄下各個(gè)電位所對(duì)應(yīng)的電流值。取探針電壓為橫坐標(biāo)，探針電流為縱坐標(biāo)，可得到朗繆爾探針的伏安特性曲線，如圖2所示。

朗繆爾單探針得到的伏安特性曲線，可以分為A、B、C三個(gè)區(qū)域，分別為離子飽和區(qū)、過(guò)渡區(qū)和電子飽和區(qū)，從伏安特性曲線可以得到等離子體的懸浮電位和空間電位，再由式（1）～式（3）求出電子溫度，離子（電子）密度等物理參數(shù)[7]。

圖1 郎繆爾探針診斷電路圖Fig.1 The diagnostic circuit of Langmuir probe

圖2 朗繆爾探針V-I特性曲線Fig.2 The V-I characteristic curve of Langmuir probe

式中：Vp為探針采集到的電壓值；Ip為修正后的電流值（采集到的電流減去離子飽和電流）；kTe為等離子電子溫度；Ap為探針的表面積；k為玻爾茲曼常數(shù)；Ie為電子飽和電流；ne為等離子的電子數(shù)密度。由等離子體的電中性可知，等離子的離子數(shù)密度與電子數(shù)密度相等，故可得離子數(shù)密度。

2 朗繆爾探針的設(shè)計(jì)

根據(jù)朗繆爾單探針的工作原理，由此知道探針理論是在一定的假設(shè)條件下提出的，而實(shí)際上探針和等離子體之間是有相互作用的，探針的幾何形狀、尺寸、溫度、表面狀況都會(huì)引起探針?lè)蔡匦郧€的變化。探針的幾何形狀有球形、圓柱形和平面形，因?yàn)槲恼略\斷對(duì)象是離子推力器放電室等離子體，放電室內(nèi)部空間小且等離子密度大，所以應(yīng)采用圓柱形探針。下面介紹探針材料與尺寸的選擇。

2.1 朗繆爾探針材料的選取

常用制作探針的材料有不銹鋼絲、鎢絲、鉭絲、銅絲等。其中鎢絲比較容易獲得，加上其本身又是熔點(diǎn)很高的金屬，所以常被作為朗繆爾探針首選材料。但是鎢絲也存在著一些缺點(diǎn)：如高溫下容易被氧化，材料脆性較強(qiáng)（不容易彎折成各種形狀），和其他材料的焊接性能不好，這給連接導(dǎo)線帶來(lái)許多不便。銅絲這種材料則非常容易得到，延展性和焊接性能都比較好，作為對(duì)低溫低密度等離子體的測(cè)量是可行的探針材料，其缺點(diǎn)就是熔點(diǎn)較低，在實(shí)驗(yàn)裝置中存在尖端放電的可能性及對(duì)探針表面進(jìn)行放電清洗的時(shí)候容易損壞，其化學(xué)性質(zhì)也比較活潑，容易與某些等離子體成分發(fā)生反應(yīng)。

另一個(gè)問(wèn)題是探針表面升溫，因?yàn)樘结樤陔x子推力器放電室測(cè)量等離子體參數(shù)時(shí)，受粒子轟擊和電磁波輻射，使其本身溫度升高，甚至可能使探針熔化，所以應(yīng)選擇溫度值高的材料作為探針材料，即熔點(diǎn)高的材料，如上面提到的鎢。另外為了減少二次電子發(fā)射，就需要采用功函數(shù)高、二次發(fā)射系數(shù)低的材料做探針材料。表1中給出了幾種常用探針材料的物理性質(zhì)。

表1 中列出的濺射率是用電流密度為1 A/cm2、能量為1 keV的汞離子轟擊材料時(shí)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值。常用來(lái)制作朗繆爾探針的材料是鉬、鎢、鉑[8]等，而探針的絕緣材料一般是用玻璃、石英和高純的氧化鋁陶瓷等。通過(guò)分析，朗繆爾探針選用鎢絲，探針絕緣材料選用氧化鋁陶瓷。

表1 常用探針材料的物理性質(zhì)Table1 The physical properties of commonly probe materials

2.2 朗繆爾探針尺寸的選取

根據(jù)朗繆爾探針的適用條件可知，探針的尺寸應(yīng)該滿足基本條件：

式中：λL為等離子體的拉莫爾半徑，離子推力器放電室等離子的拉莫爾半徑遠(yuǎn)大于推力器的特征長(zhǎng)度，一般為米級(jí)[9]；λD為德拜長(zhǎng)度；r為朗繆爾探針的半徑。在此范圍內(nèi)，應(yīng)該選用盡可能小的探針尺寸，以減少對(duì)等離子的干擾，提高探針的空間分辨能力，消除空間電荷效應(yīng)等不良影響。其中德拜長(zhǎng)度計(jì)算為式（5）。

式中：ne為等離子體中電子的密度，cm-3；TeV為電子溫度，eV，計(jì)算得出的德拜長(zhǎng)度單位為厘米。

根據(jù)國(guó)外離子推力器放電室等離子體診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果[10]以及蘭州空間技術(shù)物理研究所的數(shù)值仿真結(jié)果[11]，離子推力器放電室中電子密度最小值為1010cm-3，電子溫度最大值為15 eV。由式（5）計(jì)算得出離子推力器放電室等離子體德拜長(zhǎng)度最大值為0.3 mm。為了保證朗繆爾探針的空間分辨率，探針直徑確定為1 mm，探針長(zhǎng)度為10 mm。朗繆爾探針長(zhǎng)徑比大于等于10，可以有效的消除探針的端部效應(yīng)，探針外部包裹的氧化鋁陶瓷直徑為3 mm，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 朗繆爾探針結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure diagram of Langmuir probe

3 朗繆爾探針診斷影響因素分析

因?yàn)槔士姞柼结樖窃谠S多假設(shè)前提條件下應(yīng)用的，所以影響朗繆爾探針診斷實(shí)驗(yàn)的因素有很多，如二次電子發(fā)射、磁場(chǎng)、離子溫度、探針幾何尺寸和形狀、探針污染、探針發(fā)射、等離子體空間電位等。其中很多影響因素可以通過(guò)修改相應(yīng)的分析理論來(lái)進(jìn)行修正，另外一些則需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍設(shè)備來(lái)減小診斷實(shí)驗(yàn)的誤差。由于文章的目的是設(shè)計(jì)一種用于離子推力器放電室等離子診斷的朗繆爾探針裝置，所以只討論通過(guò)設(shè)計(jì)外圍設(shè)備可以消除或減小的影響因素。

3.1 探針污染的影響

探針污染是指探針表面形成了一層雜質(zhì)薄膜，如氧化物、氮化物或碳化物等。受雜質(zhì)薄膜層的影響，探針與等離子體的接觸面積變大，同時(shí)自身電阻也變大，這使得測(cè)得的電子溫度偏高，污染嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致探針無(wú)法使用[12]。減小探針污染的方法主要有：（1）探針使用之前首先只用砂紙進(jìn)行打磨，將探針表面的氧化層去掉，然后使用酒精對(duì)探針表面進(jìn)行清洗，使探針表面保持清潔；（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)探針的清洗電路，主要是對(duì)探針加一個(gè)較大的清洗電壓，如500 V，利用電子對(duì)探針表面的轟擊作用達(dá)到清洗目的。

3.2 探針發(fā)熱的影響

因?yàn)榈入x子體內(nèi)部是熱的，即等離子體中的粒子都是具有較大動(dòng)能的。當(dāng)探針浸入到等離子體內(nèi)部收集粒子時(shí)，不可避免地要受到帶電粒子的轟擊，導(dǎo)致探針表面溫度上升。尤其是探針處于較高的正偏壓作用時(shí)，探針收集電子電流，由于電子的加速很快，在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)探針表面時(shí)已經(jīng)具有很高的速度，所以高速電子對(duì)探針的轟擊加熱作用更大，探針采集到的電流更大，導(dǎo)致探針溫度過(guò)高、探針電阻增加，對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)嚴(yán)重誤差，甚至燒毀探針。所以探針不宜長(zhǎng)時(shí)間工作于較高的正偏壓條件下，探針在高偏壓條件下工作一段時(shí)間之后，應(yīng)該將探針偏壓降低，以達(dá)到冷卻探針的目的。如果等離子體環(huán)境較熱，那么工作時(shí)將探針移動(dòng)至等離子體中，待采集完成后，應(yīng)立即將探針移動(dòng)到等離子外部，待其充分冷卻之后，再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的實(shí)驗(yàn)工作。

3.3 等離子空間電位擾動(dòng)的影響

朗繆爾探針伸入等離子體中時(shí)周?chē)鷷?huì)形成一層由空間電荷組成的鞘層，鞘層的厚度由等離子體空間電位與探針的掃描電壓決定。當(dāng)空間電位變化時(shí)，鞘層厚度也會(huì)隨之變化，并且要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才能穩(wěn)定到新的平衡值，因此探針收集到的離子電流也是逐漸趨向穩(wěn)定的[13]。所以，可以通過(guò)采用快速掃描法來(lái)減小等離子空間電位擾動(dòng)帶來(lái)的影響（如NASA用朗繆爾探針診斷離子推力器放電室等離子體參數(shù)的實(shí)驗(yàn)中，探針掃描時(shí)間小于100 ms[14]），在等離子空間電位還未來(lái)得及變化時(shí)完成測(cè)量。

4 結(jié)論

朗繆爾探針作為一種傳統(tǒng)的等離子診斷方法，該探針結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，所含的信息量豐富，能夠獲得電子溫度、等離子體電勢(shì)和等離子密度等參數(shù)信息，應(yīng)用最為廣泛。介紹了朗繆爾探針診斷的基本原理，并結(jié)合離子推力器放電室等離子體的參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種用于離子推力器放電室等離子體診斷的朗繆爾探針，并分析了朗繆爾探針測(cè)量產(chǎn)生誤差的影響因素并提出了相應(yīng)的處理方法，該朗繆爾探針能夠滿足推力器放電室等離子體診斷實(shí)驗(yàn)要求。在實(shí)際的診斷實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)實(shí)際情況和診斷實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)一步改進(jìn)探針的設(shè)計(jì)。