一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置

摘要

本申请公开了一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置，包括第一陶瓷板、第二陶瓷板、第一磁极板、第二磁极板、第一磁极板垫片、第二磁极板垫片、第一电极板、第二电极板、第一电极板绝缘块、第二电极板绝缘块、第一电极板转接头、第二电极板转接头、外壳。通过本发明的技术方案，能够保证合理的相对位置精度，满足安装精度和机械加工性能。采用一种特殊的内凹式圆形电场结构设计，为等离子体速度筛选仪内部提供了匀强的电场和磁场，实现在有限宽度的狭长电场结构下，中心区域电场分布相对均匀，且由中心向电极板方向的电场强度逐渐降低的效果，同时能够实现为等离子体速度筛选装置提供均匀的电磁场通道。

权利要求

1.一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置，其特征在于，包括第一陶瓷板、第二陶瓷板、第一磁极板、第二磁极板、第一磁极板垫片、第二磁极板垫片、第一电极板、第二电极板、第一电极板绝缘块、第二电极板绝缘块、第一电极板转接头、第二电极板转接头、外壳，其中，所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板相扣设置，内部形成绝缘空腔，在所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板内部形成的绝缘空腔内由上至下依次设置所述第一磁极板、所述第一磁极板垫片、所述第二磁极板垫片、所述第二磁极板，在所述第一磁极板垫片和所述第二磁极板垫片之间由左至右依次设置所述第一电极板和所述第二电极板；

在所述外壳外部，所述第一电极板转接头连接所述第一电极板绝缘块，所述第一电极板绝缘块连接所述第一电极板，所述第二电极板转接头连接所述第二电极板绝缘块，所述第二电极板绝缘块连接所述第二电极板；

所述外壳装配在所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板外部。

2.根据权利要求1所述的一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置，其特征在于，所述第一电极板与所述第二电极板相对的一端为弧形、曲率半径为2mm-3mm，所述第二电极板与所述第一电极板相对的一端为弧形、曲率半径为2mm-3mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置，其特征在于，所述第一磁极板和所述第二磁极板距离所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板内部形成的绝缘空腔中心均为8±0.01mm，所述第一电极板的圆弧段边缘和所述第二电极板的圆弧段边缘距离所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板内部形成的绝缘空腔中心均为6±0.01mm，所述第一磁极板和所述第二磁极板产生的磁场区域覆盖了所述第一电极板和所述第二电极板产生电场的区域。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置，其特征在于，所述第一磁极板和所述第二磁极板之间的磁场强度维持在0.26±0.01T，分布均匀；

所述第一电极板和所述第二电极板之间的电场分布整体呈现“X”型，电场强度维持在(2.64±0.01)×103V/m，分布均匀。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置，其特征在于，所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板为氮化硼材质。

6.根据权利要求1或2所述的一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置，其特征在于，所述第一磁极板和所述第二磁极板为钕铁硼材质。

7.根据权利要求1或2所述的一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置，其特征在于，所述第一电极板和所述第二电极板为奥氏体不锈钢材质。

说明书

一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置

技术领域

[0001] 本发明属于电推进等离子体测量领域，尤其涉及一种使用接触式测量方法对离子推力器束流等离子体进行偏转和速度筛选测量的离子速度选择仪。

背景技术

[0002] 电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。

[0003] 离子推力器为静电式电推力器的一种，目前已被广泛应用于卫星以及深空探测器的主推进系统。

[0004] 对离子推力器的束流等离子体进行相关参数的测量对于提高优化发动机设计、提高发动机性能具有重要意义。离子速度选择仪是测量等离子体能量分布的基本测试手段之一，属于接触式测量方法，拥有测量精度高，筛选离子能力强等优势，然而针对仪器内部的电磁场的均匀性有较高的要求，目前还没有专门针对离子推力器的束流区设计的速度选择仪，其主要原因就是均匀电磁场结构设计存在技术瓶颈。

发明内容

[0005] 为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种能产生均匀电磁场的装置，用于等离子体速度筛选仪，测量离子推力器羽流的离子能量分布。为实现上述技术目的，本发明的具体技术方案如下：

[0006] 一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置，其特征在于，包括第一陶瓷板、第二陶瓷板、第一磁极板、第二磁极板、第一磁极板垫片、第二磁极板垫片、第一电极板、第二电极板、第一电极板绝缘块、第二电极板绝缘块、第一电极板转接头、第二电极板转接头、外壳，其中，

[0007] 所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板相扣设置，内部形成绝缘空腔，在所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板内部形成的绝缘空腔内由上至下依次设置所述第一磁极板、所述第一磁极板垫片、所述第二磁极板垫片、所述第二磁极板，在所述第一磁极板垫片和所述第二磁极板垫片之间由左至右依次设置所述第一电极板和所述第二电极板；

[0008] 在所述外壳外部，所述第一电极板转接头连接所述第一电极板绝缘块，所述第一电极板绝缘块连接所述第一电极板，所述第二电极板转接头连接所述第二电极板绝缘块，所述第二电极板绝缘块连接所述第二电极板；

[0009] 所述外壳装配在所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板外部。

[0010] 进一步地，所述第一电极板与所述第二电极板相对的一端为弧形、曲率半径为2mm-3mm，所述第二电极板与所述第一电极板相对的一端为弧形、曲率半径为2mm-3mm。

[0011] 进一步地，所述第一磁极板和所述第二磁极板距离所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板内部形成的绝缘空腔中心均为8±0.01mm，所述第一电极板的圆弧段边缘和所述第二电极板的圆弧段边缘距离所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板内部形成的绝缘空腔中心均为6±0.01mm，所述第一磁极板和所述第二磁极板产生的磁场区域覆盖了所述第一电极板和所述第二电极板产生电场的区域。

[0012] 进一步地，所述第一磁极板和所述第二磁极板之间的磁场强度维持在0.26±0.01T，分布均匀；所述第一电极板和所述第二电极板之间的电场分布整体呈现“X”型，电场强度维持在(2.64±0.01)×103V/m，分布均匀。

[0013] 进一步地，所述第一陶瓷板和所述第二陶瓷板为氮化硼材质。

[0014] 进一步地，所述第一磁极板和所述第二磁极板为钕铁硼材质。

[0015] 进一步地，所述第一电极板和所述第二电极板为奥氏体不锈钢材质。

[0016] 本发明的有益效果在于：

[0017] 1.采用一端为圆弧截面的电极板结构，能够产生均匀电场，保证离子在电磁场中筛选精度较高，准直性好。

[0018] 2.采用磁场在外、电场在内的结构，避免了磁铁本身对电场分布的影响。

[0019] 3.采用一种特殊的内凹式电场结构设计，在有限宽度的狭长电场结构中，中心区域电场强度分布相对均匀，并且由中心向电极板四周的电场强度逐渐均匀降低，没有突变。

[0020] 4.通过一种扣合式的非金属壳体结构，既能保证合理的相对位置精度，还能满足相对容易的安装精度和机械加工性能。

附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

[0022] 图1为一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置结构图；

[0023] 图2为一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置结构图；

[0024] 图3为一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置的磁场分布图；

[0025] 图4为一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置的电场分布图；

[0026] 图5为一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置的电场分布主视剖面图。

[0027] 附图标号说明：

[0028] 1-第一陶瓷板；2-第二陶瓷板；3-第一磁极板；4-第二磁极板；5-第一磁极板垫片；6-第二磁极板垫片；7-第一电极板；8-第二电极板；9-第一电极板绝缘块；10-第二电极板绝缘块；11-第一电极板转接头；12-第二电极板转接头；13-外壳。

具体实施方式

[0029] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0030] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

[0031] 如图1和图2所示，一种用于等离子体速度筛选仪的均匀电磁场装置，其特征在于，包括第一陶瓷板1、第二陶瓷板2、第一磁极板3、第二磁极板4、第一磁极板垫片5、第二磁极板垫片6、第一电极板7、第二电极板8、第一电极板绝缘块9、第二电极板绝缘块10、第一电极板转接头11、第二电极板转接头12、外壳13，其中，第一陶瓷板1和第二陶瓷板2相扣设置，内部形成绝缘空腔，在绝缘空腔内由上至下依次设置第一磁极板3、第一磁极板垫片5、第二磁极板垫片6、第二磁极板4，在第一磁极板垫片5和第二磁极板垫片6之间由左至右依次设置第一电极板7和第二电极板8；在外壳13外部，第一电极板转接头11连接第一电极板绝缘块9，第一电极板绝缘块9连接第一电极板7，第二电极板转接头12连接第二电极板绝缘块10，第二电极板绝缘块10连接第二电极板8；外壳13装配在第一陶瓷板1和第二陶瓷板2外部。

[0032] 第一电极板7和第二电极板8分别通过第一电极板转接头11和第二电极板转接头12伸出到在装置外部，与外部供电电路连接，从而外部的供电系统能通过第一电极板转接头11和第二电极板转接头12向内部的第一电极板7和第二电极板8提供0-80V的偏置电压，最终第一电极板7和第二电极板8在获得偏置电压的情况下，在第一陶瓷板1和第二陶瓷板2内部形成的绝缘空腔内形成均匀磁场。

[0033] 第一电极板绝缘块9和第二电极板绝缘块10确保了第一电极板7、第二电极板8、第一电极板转接头11和第二电极板转接头12与整个装置绝缘，外壳13装配在第一陶瓷板1和第二陶瓷板2的外部固定装置内部的所有元件。

[0034] 在一些实施方式中，第一电极板7与第二电极板8相对的一端为弧形、曲率半径为2mm-3mm，第二电极板8与第一电极板7相对的一端为弧形、曲率半径为2mm-3mm，第一电极板
7和第二电极板8的曲率半径遵循了静电屏蔽的德拜尺度计算公式和拉莫尔回旋半径计算公式： 其中，λD是德拜长度、ε0是真空介电常数、k是波尔茨曼常数、Te
是电子温度、e是元电荷量、Ne是电子密度、R是离子回旋半径、mi是离子质量、vb是离子切向速度、qi是离子电荷量、B是磁场强度。该结构能够产生均匀电场，保证离子在电磁场中筛选精度较高，准直性好，能达到电场强度误差小于0.1V/m，电场的均匀性远高于平行板式的电极结构。

[0035] 在一些实施方式中，第一磁极板3和第二磁极板4距离第一陶瓷板1和第二陶瓷板2内部形成的绝缘空腔中心均为8±0.01mm，第一电极板7的圆弧段边缘和第二电极板8的圆弧段边缘距离第一陶瓷板1和第二陶瓷板2内部形成的绝缘空腔中心均为6±0.01mm，第一磁极板3和第二磁极板4产生的磁场区域覆盖了第一电极板7和第二电极板8产生电场的区域，这种磁场在外、电场在内的结构避免了第一磁极板3和第二磁极板4本身对电场分布的影响。

[0036] 如图3-图5所示，在一些实施方式中，第一磁极板3和第二磁极板4之间的磁场强度维持在0.26±0.01T，分布均匀；第一电极板7和第二电极板8之间的电场分布整体呈现“X”型，电场强度维持在(2.64±0.01)×103V/m，分布均匀。

[0037] 在一些实施方式中，第一陶瓷板1和第二陶瓷板2为氮化硼材质，既保证了加工精度达到0.01mm级，也加强了外部对等离子体的抗溅射效应。

[0038] 在一些实施方式中，第一磁极板3和第二磁极板4为钕铁硼材质，永磁性能好，寿命长，能提供均匀磁场。

[0039] 在一些实施方式中，第一电极板7和第二电极板8为奥氏体不锈钢材质，该材料不导磁，确保了第一电极板7和第二电极板8之间电场形成区域不会被磁化，不影响磁场的均匀性。

[0040] 在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

[0041] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。