放電室是離子推力器核心部件，目前國內尚未開展離子推力器的等離子體參數診斷工作。應用發射探針診斷離子推力器放電等離子體的參數，介紹了發射探針診斷等離子體電勢的原理，發射探針診斷離子推力器放電室等離子體的方案及探針系統的組成。說明了數據處理方法和探針診斷的影響因素。

　　引言

　　離子推力器放電室等離子體參數診斷具有重要意義，穩態下放電室內的等離子體分布決定著推力器性能的許多重要方面，而等離子體的運動是在電磁場共同作用下的結果，因此掌握放電室內的電勢分布有助于加深對放電過程的理解，實測數據還用作數值模型的輸入，實驗診斷數據是對各種數值模型和分析模型的重要檢驗。

　　放電室等離子體參數診斷包括非接觸式測量和接觸式測量法，如LIF(激光誘導熒光)技術、靜電探針診斷技術等。國外開展相關的實驗研究工作較早也較成熟，如Sengupta等為了研究不同的磁路結構對推力器性能的影響，在NSTAR樣機上開展了一系列的實驗診斷工作，Herman 等針對NEXT型離子推力器開展了離子推力器放電室等離子電勢發射探針診斷工作。國內尚未開展離子推力器放電室等離子體參數診斷工作，隨著國內電推進技術的發展，開展相關的實驗診斷工作已提到議事日程。文章主要介紹了放電室等離子體參數發射探針診斷的原理、系統組成及數據處理和誤差分析等幾部分內容。

　　1、發射探針電勢診斷原理

　　懸浮發射探針工作原理簡單，能夠對當地等離子體電勢進行直接測量，而不需要進行偏置電壓掃描或者分析大量數據。懸浮發射探針相關理論相對成熟。其主要工作原理為將探針燈絲插入等離子體中，然后向燈絲施加電流，當燈絲溫度上升，電子自燈絲熱發射出來。在理論上，當燈絲加熱充分時，發射的電子基本上能夠中和探針頭周圍的鞘層，從而允許探針懸浮于當地的等離子體電勢。事實上，對于強發射的懸浮探針，因為過量發出的接近探針表面的慢速電子，空間電荷的限制產生了雙鞘層，如圖1所示。雙鞘層作用使熱發射電子反射回探針表面，一些麥克斯韋等離子體電子返回等離子體。高能麥克斯韋尾部電子能夠到達探針。考慮到兩種電子分布不同的能量比例，最大的發射流不足以補償收集流，因為等離子體電子具有高得多的速度。

　　子體電勢進行直接測量，而不需要進行偏置電壓掃描或者分析大量數據。懸浮發射探針相關理論相對成熟。其主要工作原理為將探針燈絲插入等離子體中，然后向燈絲施加電流，當燈絲溫度上升，電子自燈絲熱發射出來。在理論上，當燈絲加熱充分時，發射的電子基本上能夠中和探針頭周圍的鞘層，從而允許探針懸浮于當地的等離子體電勢。事實上，對于強發射的懸浮探針，因為過量發出的接近探針表面的慢速電子，空間電荷的限制產生了雙鞘層，如圖1所示。雙鞘層作用使熱發射電子反射回探針表面，一些麥克斯韋等離子體電子返回等離子體。高能麥克斯韋尾部電子能夠到達探針。考慮到兩種電子分布不同的能量比例，最大的發射流不足以補償收集流，因為等離子體電子具有高得多的速度。

圖1 包圍發射探針的雙鞘層中的電勢分布示意圖

1. 鞘層區域;2. 預鞘層區域;3. 等離子體電子勢壘~Te/e;4. 發射電子勢壘

　　3.3、懸浮探針誤差分析

　　3.3.1、模型誤差

　　模型誤差主要來自空間電荷效應。發射探針是一個加熱至發射狀態的電極，所以用作診斷時必然也會在探針周圍形成熱發射鞘層，直接影響著診斷的準確性，探針理論上稱之為空間電荷效應，會使診斷的電位小于當地實際等離子體電位，發射探針測量給出的誤差為Te/e 的幾分之一量級。通過降低探針發射強度外推可以減弱空間電荷的影響，從而得到更為準確的診斷結果。

　　3.3.2、電子誤差

　　電子誤差包含電路噪聲。對于整個電路，通過使用高壓SHV同軸電纜噪聲可盡可能降低，在放電室內外都是這樣。隔離的輸入端對于所有元件允許有共同的接地點，從而消除了整個接地環中的噪聲。當探針和dc 電源懸浮于高電位時，非理想的懸浮電源引入了至地的漏電流。可評估的漏電流結果是探針懸浮于小于真實的等離子體電勢。

　　另外，利用加熱電流通過燈絲進行等離子體電勢的測量導致跨過燈絲的電壓下降。該電壓降落增加了測量值的不確定度。漏電流和電壓降對總的等離子體電勢測量的絕對大小的移動有貢獻，導致相對電勢測量不受影響。

4、結論

　　對于離子推力器的研制，放電室等離子體參數診斷是一項重要的工作。目前國內還沒有開展相關的研究。通過離子推力器放電室等離子體電勢診斷方案，介紹了發射探針診斷等離子體電勢的原理，對于診斷必須采用的高速探針診斷系統進行了較詳細的介紹。分析了磁場對電勢診斷的影響以及診斷誤差等。為開展離子推力器的等離子體電勢診斷提供參考，對于離子推力器的研制以及性能的改進具有一定的意義。