一種離子推力器羽流區域粒子速度分布測量系統的制作方法

本發明提供了一種離子推力器羽流區域離子速度分布測量裝置，屬于粒子測量技術領域。

背景技術：

國際上主流電推進技術絕大多數都是基于等離子體產生和加速的物理過程，電推進系統的等離子體研究主要包括推力器放電室內等離子體的產生、碰撞、輸運等過程研究和推力器羽流等離子體研究。推力器羽流區域等離子體運動特性對于推力器優化設計、效率提升、數值模型的建立等具有關鍵性意義，獲取羽流區域離子和中性原子的運動機理對解決上述問題是一個十分有效地手段。

朗繆爾探針診斷作為等離子體診斷最基本的方法，能夠測出等離子體密度、電子溫度、懸浮電位等基本參數。但它無法測量離子和中性原子的速度分布。而且作為實體對等離子體的侵入，探針不可避免地會對等離子體產生干擾。而光譜診斷作為一種非侵入式診斷方法，是測量等離子體性質的重要方法。

當前所使用的激光誘導熒光技術是一種高靈敏度、高選擇性的診斷測量手段，利用激光誘導熒光裝置可以測量中性原子和離子的速度分布函數。利用激光誘導熒光技術可以實現高分辨率的速度測量，即使在很低的信噪比環境下。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供了一種離子推力器羽流區域離子速度分布測量裝置，克服現有靜電探針的局限性，提供一種非接觸、高分辨率、高選擇性的推力器羽流區域粒子速度分布測量方法。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：一種離子推力器羽流區域粒子速度分布測量系統包括光信號產生與傳輸單元、光信號探測單元和數據采集與控制單元。

光信號產生與傳輸單元產生激光，將一部分光束傳輸到波長計、功率計、f-p干涉儀等激光監控單元，將另一部分作為主激光束傳輸至真空室內的光信號探測單元。

光信號探測單元處于真空室內，包括二維移動機構、軸向激光入射設備、屏蔽片、熒光探測設備以及徑向激光入射設備。

推力器安裝于二維移動機構上；二維移動機構帶動推力器在軸向和徑向進行移動；推力器工作形成羽流區域，在羽流區域中預先選定一個探測點；軸向激光入射設備設置于推力器目標探測點所在軸向，其前端為激光接收端、后端為聚焦準直端，其中激光接收端接收光纖導入的激光束，聚焦準直端將激光聚焦到探測點區域，以激發探測點處的粒子，從而測量待測點的軸向粒子速度。

徑向激光入射設備設置于離子推力器目標探測點所在徑向，徑向激光入射設備包括激光接收端和聚焦準直端，激光接收端接收光纖導入的激光束，聚焦準直端將激光聚焦到探測點區域，以激發探測點處的粒子，從而測量獲得待測點的徑向粒子速度。

熒光探測設備包括探測部和光纖耦合部，其中探測部對探測點出激發的熒光進行采集，光纖耦合部將探測部采集到的熒光信號耦合到光纖中并導出到真空室外部的數據采集與控制單元中。

數據采集與控制單元對熒光信號進行處理，同時對光信號產生與傳輸單元進行控制。

進一步地，光信號產生與傳輸單元中包括半導體激光器、斬波器以及光纖。

其中半導體激光器產生激光，激光的波長覆蓋被測粒子特征譜線，主激光束進入斬波器。

斬波器將主激光束調制到預設的頻率后，將主激光束通過光纖引入到真空室。

進一步地，光信號產生與傳輸單元同時對激光信號進行波長、功率以及激光模式的測量；則光信號產生與傳輸單元中還包括分束器、波長計、功率計以及f-p干涉儀。

其中半導體激光器發射激光，激光的波長覆蓋被測粒子特征譜線，激光器發出的激光進入分束器。

分束器將激光分成四束分激光，其中第一束分激光進入波長計進行波長測量；第二束分激光進入功率計進行功率測量；第三束分激光進入f-p干涉儀進行激光模式測量；第四束分激光作為主激光束進入斬波器。

進一步地，數據采集與控制單元包括順次相連的單色儀、光電倍增管、鎖相放大器以及計算機；

單色儀接收熒光信號，之后進入光電倍增管。

光電倍增管對熒光信號進行光電轉換和信號放大，形成電信號。

鎖相放大器工作在斬波頻率，用于將熒光信號與等離子體的干擾信號分離，得到有效熒光信號進入計算機進行處理。

進一步地，計算機對有效熒光信號的處理包括對熒光信號的分析和界面顯示。

有益效果：

1本系統中，采用光譜對粒子的速度分布進行測量實現了非接觸測量，避免了靜電探針對等離子體的干擾；

使用本系統進行離子推力器羽流區域粒子速度的測量時，可以隨意選取測量點，均能實現對測量點處粒子速度的測量，由此可實現對羽流區域粒子速度的分布測量。

2本系統具有很高的時間分辨率和空間分辨率，二維移動機構的精度能夠保證一定的空間分辨率；

3本系統具有高選擇性，只針對特定粒子的特征譜線進行測量，激光器發出的波長覆蓋被測粒子特征譜線，因此其他譜線的粒子不會被激發；

4本系統可以直接或間接得到粒子的速度分布函數vdf、速度矢量分布、溫度分布、電場特性等相關等離子體參數信息；

5本系統彌補了傳統靜電探針的不足，能夠獲取更豐富的羽流區域等離子體信息，對于系統理解推力器工作機理、優化推力器設計、新型推力器研制等具有關鍵性的指導意義。

附圖說明

圖1為光信號產生與傳輸單元示意圖；

圖2為光信號探測單元示意圖；

圖3為數據采集與控制單元示意圖。

1激光器；2分束器；3波長計；4功率計；5f-p干涉儀；6斬波器；7光纖；8真空室；9二維移動機構；10推力器；11軸向激光入射裝置；12屏蔽片；13熒光探測裝置；14羽流區域；15徑向激光入射裝置；16測量點；17熒光信號；18單色儀；19光電倍增管；20鎖相放大器；21數據處理與控制軟件。

具體實施方式

下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。

實施例1、一種離子推力器羽流區域粒子速度分布測量系統，包括光信號產生與傳輸單元、光信號探測單元和數據采集與控制單元。

所述光信號產生與傳輸單元處于真空室外部，產生激光并通過分束器將其分成四束，其中三束分別進入波長計、功率計、f-p干涉儀，另一束通過斬波器和光纖進入真空室，用于激發被測粒子。

光信號探測單元處于真空室內，包括二維移動機構9、軸向激光入射設備11、屏蔽片12、熒光探測設備13以及徑向激光入射設備15。

推力器10安裝于二維移動機構9上。

二維移動機構9帶動推力器10在軸向和徑向進行移動。

推力器10工作形成羽流區域，在羽流區域中預先選定一個探測點16。

軸向激光入射設備11設置于所述推力器目標探測點所處軸向，其前端為激光接收端、后端為聚焦準直端，其中激光接收端接收光纖導入的激光束，聚焦準直端將激光聚焦到所述羽流區域中預先選定的探測點16處，以激發探測點16處的粒子，從而測量所述待測點16的軸向粒子速度；

徑向激光入射設備15設置于所述離子推力器目標探測點所處徑向，徑向激光入射設備15包括激光接收端和聚焦準直端，所述激光接收端接收光纖導入的激光束，聚焦準直端對所述激光束進行聚焦準直，以激發探測點16處的粒子，從而測量獲得所述待測點16的徑向粒子速度；

熒光探測設備13包括探測部和光纖耦合部，其中探測部對探測點16處激發的熒光進行采集，光纖耦合部將探測部采集到的熒光信號耦合到光纖中并導出到真空室外部的數據采集與控制單元中；

數據采集與控制單元對所述熒光信號進行處理，同時對所述光信號產生與傳輸單元進行控制。

本實施例中，光信號產生與傳輸單元中包括半導體激光器1、斬波器6以及光纖7；

其中半導體激光器1發射激光，激光的波長覆蓋被測粒子特征譜線，主激光束進入斬波器；

斬波器6將主激光束調制到預設的頻率后，將主激光束通過光纖引入到真空室8；

本實施例中，光信號產生與傳輸單元同時對激光信號進行波長、功率以及激光模式的測量；則光信號產生與傳輸單元中還包括分束器2、波長計3、功率計4以及f-p干涉儀5。

其中半導體激光器1發射激光，激光的波長覆蓋被測粒子特征譜線，激光器發出的激光進入分束器2。

分束器2將激光分成四束分激光，其中第一束分激光進入波長計3進行波長測量；第二束分激光進入功率計4進行功率測量；第三束分激光進入f-p干涉儀5進行激光模式測量；第四束分激光作為主激光束進入斬波器6。

本實施例中，數據采集與控制單元包括順次相連的單色儀18、光電倍增管19、鎖相放大器20以及計算機。

單色儀18接收熒光信號，之后進入光電倍增管19。

光電倍增管19對熒光信號進行光電轉換和信號放大，形成電信號。

鎖相放大器20工作在斬波頻率，用于將熒光信號與等離子體的干擾信號分離，得到有效熒光信號進入計算機進行處理。

本實施例中，計算機對有效熒光信號的處理包括對熒光信號的分析和界面顯示。

綜上，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。